1. 유연 전자소자 기술 개요
유연 전자소자 기술은 불규칙한 표면을 구부리거나, 비틀거나, 펴거나 또는 변형에 순응할 수 있는 전자 부품과 시스템의 설계와 개발 및 다양한 분야로의 적용에 초점을 맞춘 혁신적인 전자 기술 분야이다. 딱딱한 형태의 전통적인 전자소자와 달리 유연 전자소자는 유연하고 늘어날 수 있는 물질과 기판을 사용하여 만들어진다. 이 기술은 전자기기, 의료, 웨어러블, 로보틱스 등을 포함한 다양한 산업 분야에서 흥미로운 적용 가능성을 보여준다. 유연 전자소자의 핵심 부품 및 기술 컨셉트는 아래와 같다.
▶ 유연한 기판
유연 전자소자는 일반적으로 플라스틱, 고무 또는 유연한 유리와 같은 유연한 기판 위에 만들어지는데, 이는 전자소자의 구성 부품들을 손상시키지 않고 휘어지고 늘어나는 등의 변형을 견딜수 있도록 설계된다.
▶ 인쇄 전자소자
유연 전자소자는 전도성 잉크 또는 유기 반도체와 같은 전도성 재료를 유연한 기판에 증착하기 위해 스크린 인쇄, 잉크젯 인쇄 및 롤투롤(roll-to-roll) 인쇄와 같은 인쇄 기술을 사용한다.
▶ 유연 센서
유연한 센서는 옷, 피부 패치 또는 다른 웨어러블 기기 등에 내장되어 온도, 압력, 변형률 및화학 분석 물질과 같은 다양한 생리학적 및 환경적 매개 변수를 모니터링할 수 있다.
▶ 유기 및 유연 전자 장치
유기 반도체, 탄소 나노 튜브 및 기타 유연한 재료들을 이용하여 휘어지고 늘어날 수 있는 트랜지스터, 다이오드 및 기타 전자 부품을 만드는 데 사용된다.
▶ 에너지 저장 장치
유연한 형태의 배터리와 슈퍼커패시터는 휴대용 및 웨어러블 기기에 전원을 공급하기 위해 유연 전자소자 시스템에 통합될 수 있다.
이전의 유연 전자소자 기술은 단순히 유연한 소재를 선택하여 사용하거나 간단한 단위소자 단위로 유연 전자소자를 제작할 수 있었지만, 현재는 많은 기능을 포함하는 복합 전자소자로 적용할 수 있는 기술이 개발되었으며 다양한 산업 분야에 응용되고 있다.
▶ 웨어러블 기술
유연 전자소자는 스마트 의류, 피트니스 트래커, 건강 모니터와 같은 웨어러블 기기의 개발을 가능하게 한다. 이 기기들은 사용자에게 편안함과 건강신호에 대한 지속적인 모니터링을 제공 하면서 신체에 부합할 수 있다.
▶ 플렉시블 디스플레이(Flexible Displays)
유연 전자소자 기술을 이용하여 구부리고 말 수 있는 디스플레이를 구현할 수 있다. 접을 수 있는 스마트폰, 전자 종이 디스플레이, 롤업 텔레비전 등에 적용 된다.
▶ 의료
스마트 붕대, 전자 피부 및 이식형 기기를 포함한 의료 분야에서 유연한 센서 및 전자소자가 사용 된다. 이를 활용한 원격 모니터링을 통하여 조기 질병 탐지 및 지속적 관리를 가능하게 한다.
▶ 사물인터넷(Internet of Things, IoT)
유연 전자소자는 IoT 애플리케이션을 위한 센서 및 데이터 수집 전자소자에 적용된다. 예로는 가전제품 등과 통합되어 데이터를 수집하고 전송하는 스마트 홈이 있다.
▶ 소프트 로보틱스
부드럽고 유연한 전자 소자가 소프트 로봇에 통합되어 보다 자연스럽고 적응력 있는 움직임을 가능하게 한다. 이러한 로보틱스는 의료기기, 검색 및 구조, 인간과 기계가 상호작용하는 시스템에 적용된다.
▶ 항공우주 및 자동차
유연 전자소자는 경량화를 통하여 항공우주 분야에 적용될 수 있으며, 플렉시블 디스플레이, 센서 및 조명 등은 스마트 자동차에 적용될 수 있다.
이러한 유연 전자소자의 일상 적용은 인간의 삶을 윤택하게 할 뿐만 아니라, 미래 지향적인 인간과 기계의 상호작용을 도울 수 있다. 이와 관련한 기술은 날이 갈수록 업그레이드되고 있으며 응용 분야를 확장하고 기능을 개선하기 위해 고려해야 할 사항은 다음과 같다.
가장 우선으로 고려되어야 할 사항은 유연 전자소자의 내구성이다. 동적이고 가혹한 환경에서 유연 전자 소자의 유연한 물성은 장점인 동시에 단점이 될 수 있다. 따라서 장기적으로 신뢰성과 견고성을 보장하기 위해 많은 노력이 필요하다. 또한 유연 전자소자에 사용되는 소재는 매우 제한적이므로 유연하고 전도성이 있는 적합한 재료를 지속적으로 발굴하여야 한다. 기존 전자장치 및 시스템과 통합하기 위한 적절한 설계가 필요하며, 특히 유연 전자소자들의 상용화를 위해서는 전원 공급을 위한 유연 배터리 및 전력 관리 시스템 개발이 시급하다. 이러한 어려움에도 불구하고 유연 전자소자 기술은 지속적인 연구개발 노력에 힘입어 빠르게 발전하고 있으며, 생활의 다양한 측면을 향상시킬 수 있는 혁신적인 웨어러블 전자기기 기술을 개발하는 데 큰 역할을 하고 있다.
2. 기술개발 동향 및 산업 현황
웨어러블 기기는 최근 몇 년 동안 단순한 피트니스 추적기에서 다기능의 건강 중심 장치로 전환하는 등놀라운 기술 발전을 보이고 있다. 이러한 발전과 함께 표준화를 위한 노력은 상호운용성, 데이터 보안 및사용자 안전을 보장하는 데 중요한 역할을 수행하고 있다.
▶ 고급센서 및 생체인식
웨어러블 기기는 점점 더 정교한 센서를 통합하여 광범위한 생체 데이터를 수집 하고 분석할 수 있다. 심박, 산소포화도, 피부 온도와 습도뿐만 아니라 심전도(ECG), 뇌전도(EEG), 근전도(EMG) 등 전기생리학 센서까지 인간의 건강정보를 수집할 수 있는 다양한 센서들이 포함된다.
이러한 센서의 통합은 사용자가 건강에 대해 보다 포괄적인 시각을 갖고 이를 활용하여 지속적으로 관리할 수 있게 한다.
▶ 인공지능 및 머신러닝
최근 인공지능과 머신러닝 기술이 빠른 속도로 개발되며 머신러닝 알고리즘이 웨어러블 전자기기의 필수 요소가 되고 있다. 이 알고리즘을 이용하여 센서가 수집한 방대한 양의 데이터를 분석 및 처리하여 각 개인에게 맞는 피드백을 제공할 수 있다. 이러한 추세는 인공지능과 머신러닝이 웨어러블 전자기기의 생성 데이터를 더 정확하게 분석할 수 있는 개발로 이어지고 있다.
▶ 의료분야와의 통합
유연 전자소자를 의료 분야에 통합하는 것은 아주 빠르게 진화하고 있다. 의료 분야로 적용되기 위해 뛰어난 인체 적합성 및 개선된 착용감을 지니며, 기존 전자장치들로 할 수 없던 새로운 방식이 인체에 적용되어 상호작용한다. 웨어러블 기기는 원격 환자 모니터링, 약물 전달 및 조기 질병 탐지 등에 사용되고 있으며 의료 사용에 대한 FDA의 승인은 의료 분야에서의 잠재력을 높여준다.
▶ 배터리 수명 향상
웨어러블 기기에 필요한 지속적인 과제 중 하나는 원활한 전원 공급이다. 유연한 형태의 배터리 개발 기술뿐만 아니라 배터리 용량 및 수명 등 에너지를 효율적으로 활용하는 기술이 개발되고 있다.
3. 주요 표준 트렌드
▶ 유연 전자소자
유연 전자소자와 관련된 표준은 IEC, ASTM 및 IEEE과 같은 표준 기관에서 다루고 있다.
IEC의 TC 119(인쇄 전자소자 관련), TC 47(반도체 소자), TC 91(소자 조립 기술) 등과 ASTM의 F01 (전자소자 관련), F42(3D 프린팅), D02 (플라스틱 소재) 등이 있다. 특히 IEC의 TC 124 (웨어러블 소자 기술)는 부착 가능한 형태의 패치 재료 및 장치, 체내 삽입형 재료 및 장치, 전자 섬유 재료 및 장치 등을 포함하는 웨어러블 전자기기 및 기술의 표준화를 다루고 있다.
▶ 무선 통신 프로토콜
블루투스 로우 에너지(BLE), 지그비(Zigbee), 로라완(LoRaWAN)과 같은 새로운 무선 통신 프로토콜 표준들이 유연 전자소자에 적용되고 있다. 이 표준들은 유연한 기판의 고유한 특성을 고려하며 기존의 무선 통신 성능을 유지하는 것을 목표로 한다.
무선 유연 전자소자는 서로 다른 제조업체의 소자들이 원활하게 작동할 수 있도록 상호운용성에 대한 표준이 필수적이며, 민감한 건강 데이터를 수집하기 때문에 보안 및 개인정보 보호에 관한 표준 또한 중요하다.
유럽의 General Data Protection Regulation(GDPR) 및 미국의 HIPAA(Health Insurance Portability and Accountability Act)와 같은 이니셔티브는 웨어러블 기기의 데이터 보호에 대한 표준을 설정한다.
또한 의료 분야에서의 무선 유연 전자소자 응용과 관련하여 IEEE 11073 PHD(Personal Health Data)와 같은 표준은 매우 중요하다. 이 표준은 웨어러블 기기와 의료시스템 사이에 의료 데이터가 교환되는 방법을 정의하고, 호환성과 데이터의 무결성을 보장한다. 미국 FDA와 같은 규제 기관은 의료용 웨어러블 기기의 승인을 위한 가이드라인을 개발중이며, 이러한 표준은 웨어러블 기기가 소비자에게 판매되기 전에 안전 및효능 요구사항을 충족하도록 보장한다.
4. 2030 표준 트렌드 전망
향후 무선 유연 전자소자의 급속한 발전으로 2030년까지 이 분야의 표준화 추세가 더욱 뚜렷해질 것으로 전망된다. 무선 유연 전자소자의 표준화는 다음과 같은 세부 분야로 나누어 예상할 수 있다.
▶ 원활한 통합을 위한 상호운용성 표준
무선 유연 전자소자가 지속적으로 보급됨에 따라 상호 운용성 표준 제정을 위한 공동의 노력이 지속될 것이다. 이러한 표준은 다양한 웨어러블 기기와 유연 전자소자들이 원활하게 연결 및 상호작용할 수 있도록 함으로써 상호 연결된 웨어러블 기기의 통합된 시스템을 조성할 것으로 예상된다.
▶ 무선 통신 프로토콜 표준화
유연 전자소자의 고유한 특성에 맞춘 무선 통신 프로토콜의 기술 개발이 중심이 될 것이다. 이 표준들은 웨어러블 기기들 간 효율적인 데이터 교환을 위해 저전력, 근거리 통신을 우선으로 고려할 것이다. 블루투스 및 첨단 무선 프로토콜과 같은 기술들이 중추적인 역할을 할 것으로 예상된다.
▶ 보안 및 개인 정보 보호 표준
웨어러블 기기의 민감한 데이터 수집 및 전송이 증가함에 따라 강력한 보안 및 개인정보 보호 기준이 무엇보다 중요해질 것이다. 이 표준들은 사용자의 개인정보를 보호하기 위한 암호화, 인증 메커니즘 및 데이터 보호 프로토콜을 포함할 것으로 예상된다.
▶ 안정적이고 효율적인 전원공급
무선 유연 전자소자의 원활한 이용을 위하여 전원 공급 및 에너지 사용 효율을 위한 표준이 발전할 것이다. 이와 함께 주위 환경에 대한 영향을 줄이기 위해 전력 최적화, 배터리 수명 연장 및 지속 가능한 에너지원에 대한 표준들이 예상된다.
▶ 건강 및 안전 표준
무선 유연 전자소자가 빠르게 적용될 것으로 예상되는 의료 분야에서는 웨어러블 기기의 안전성을 보장하기 위한 엄격한 표준들이 마련될 것이다. 이 표준들은 물질에 대한 생체 적합성 요건, 센서에 대한 정확성 및 방사선 피폭 한도 등을 포함하여 사용자의 안전과 데이터 신뢰성을 보장할 것으로 예상된다.
▶ 플렉시블 디스플레이 및 센서 표준
플렉시블 디스플레이 및 센서가 발전함에 따라 품질 벤치마크, 내구성 및 성능 기준을 정의하는 표준이 등장할 것으로 예상된다. 이러한 표준은 플렉시블 OLED 디스 플레이, 스트레처블 센서 및 햅틱 시스템과 같은 분야에서 혁신을 촉진할 것이다.
▶ 글로벌 시장에 대한 규제 준수
무선 유연 전자소자가 전 세계적으로 지역별 규제 및 안전기준을 준수할 수 있도록 국제시장 간 표준의 조화가 중요해질 것이다.
▶ 사용자 인터페이스 및 상호작용 표준
웨어러블 인터페이스의 발전에 따라 사용자 인터페이스 및 상호 작용에 관한 표준이 개발될 것으로 예상된다. 이 표준들은 사용자의 제스처 인식, 음성 제어, 뇌-컴퓨터 인터페이스를 포함하여 웨어러블 기기의 사용성과 접근성을 향상시킬 것이다.
▶ 에너지 하베스팅 및 전력 관리 표준
에너지 하베스팅 기술이 성숙함에 따라 효율적인 에너지 하베스팅 시스템의 개발을 유도하기 위한 표준이 등장할 것으로 예상되며, 이러한 표준은 전통적인 발전원에 대한 의존도를 감소시켜 유연 전자소자의 지속적 사용 가능성에 기여할 것이다.
▶ 5G 및 미래 무선 기술과의 통합
5G와 같이 웨어러블 기기를 고속, 저지연 네트워크로 원활하게 통합 하기 위한 표준이 개발될 것으로 예상되며, 이를 통해 실시간 데이터 전송 및 증강현실 경험을 가능하게 할 것이다.
결론적으로, 무선 유연 전자소자의 미래는 주목할 만한 성장과 혁신의 준비가 되어 있다. 표준화를 위한 노력은 상호운용성을 육성하고, 보안을 보장하며 지속가능성을 촉진하고 사용자 경험을 강화함으로써 이러한 미래를 형성하는 데 중요한 역할을 할 것이다. 업계 리더, 표준화기관 및 연구원을 포함한 이해 관계자들은 2030년까지 이러한 표준들이 업계의 요구를 충족시킬 수 있도록 진화하는 추세에 적극적으로 참여할 필요가 있다.
5. 제언
무선 유연 전자소자는 혁신적인 기술의 선구자로 부상하며 산업 전반에 걸쳐 혁신적인 응용 프로그램을 유망하게 만들고 있다. 유연성, 휴대성 및 무선통신이라는 강점을 바탕으로 웨어러블, 의료, 통신 등 다양한 산업 분야 전반에 적용될 가능성이 있기 때문이다. 무선 유연 전자소자의 응용 가능성을 최대한 발휘하기 위해서는 산업 분야 전반에 알맞은 표준 제정은 필수적이다. 앞서 언급한 상호운용성 및 호환성 관련 표준 제정은 무선 유연 전자소자들이 기존의 장치들과 원활하게 통합될 수 있도록 하여 사용자의 편의성과 소자의 범용성을 강화시켜 줄 것이다. 또한, 의료 분야에 적용하기 위해서는 높은 수준의 안정성 및 신뢰 성을 보장할 수 있는 표준 제정이 필요하며, 수집된 민감 데이터를 처리하는 과정에서 높은 수준의 보안 표준 역시 필요하다.
이러한 표준화 개발은 미국, 중국 등 강대국 사이에서 우리나라의 전자, 바이오, 의료 등 산업이 약진할 수있는 역할을 할 것으로 기대된다. 국내 반도체 산업이 세계 시장을 힘겹게 이끌고 있는 상황에서 무선 유연 전자소자와 같은 미래 지향적인 기술 개발은 미래 산업에 대한 기대감을 높이고 관련된 유망기술 발굴 및시장 선점을 가능하게 할 것으로 보인다.
4차 산업혁명의 핵심기술인 사물인터넷, 디지털 헬스케어 등의 산업화가 확대되고 있다. 이들의 산업적 적용을 빠르게 이끌어줄 무선 유연 전자소자 기술은 전자, 바이오, 의료 분야에서 새로운 기회로 대두되고 있으며, 이들을 위한 표준화 개발은 4차 산업혁명의 일상화를 앞당길 것이다.