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증강현실을 통해 내비게이션 정보를 제공할 수 있는 새로운 스마트 콘택트렌즈가 개발됐다. 렌즈는 일반 콘택트렌즈처럼 사람의 눈에 부착되며 핵심 기술은 3D프린팅 공정을 사용한다.
한국전기연구원(KERI) 설승권 박사 스마트 3D프린팅 연구팀과 정림두 교수팀이 증강현실(AR) 기반 내비게이션 구현이 가능한 스마트 콘택트렌즈의 3D 프린팅 핵심 공정 기술을 개발했다. 울산과학기술원(UNIST) 연구팀.
스마트 콘택트렌즈는 일반 렌즈처럼 사람의 눈에 부착해 다양한 정보를 제공하는 제품이다. 렌즈에 대한 연구는 건강을 진단하고 치료하는 것을 중심으로 진행되고 있습니다. 최근 구글 등은 AR을 구현할 수 있는 디스플레이용 스마트 콘택트렌즈를 개발하고 있다. 하지만 기술적인 문제로 인해 상용화에 많은 걸림돌이 존재합니다.
메니스커스 현상을 보여주는 이미지. 제공: 한국전기연구원
스마트 콘택트렌즈로 AR을 구현함에 있어 전기변색[1] 저전력 구동이 가능한 디스플레이가 적합하며, 가격 경쟁력이 높고 명암비와 색상 간 전환이 빠른 ‘퓨어 프러시안 블루’ 색상이 렌즈 소재로 주목받고 있다. 그러나 과거에는 전기 도금 방식을 이용하여 피막 형태로 기판에 색상을 코팅하였다.[2]다양한 정보(문자, 숫자, 이미지)를 표현할 수 있는 첨단 디스플레이의 생산을 제한했다.”
KERI-UNIST의 성과는 전압을 가하지 않고 3D 프린터를 이용해 렌즈 디스플레이에 미세 패턴을 프린팅해 증강현실을 구현할 수 있는 기술이라는 데 있다. 핵심은 사용된 잉크의 메니스커스입니다. 메니스커스는 물방울을 일정한 압력으로 부드럽게 누르거나 잡아당길 때 모세관 현상으로 인해 물방울이 터지지 않고 외벽에 곡면이 형성되는 현상이다.
FeFe(CN)6의 결정화는 메니스커스에 의해 제한된 영역의 기판에서 발생하여 균일한 패턴을 형성합니다. FeFe(CN)6 패턴은 PB(Fe4[Fe(CN)6]3) 열 환원을 통해. 제공: 한국전기연구원
프러시안 블루는 마이크로노즐과 기판 사이에 형성된 메니스커스에서 용매 증발을 통해 결정화됩니다. 산성-페릭-시안화철 잉크의 메니스커스는 잉크가 채워진 마이크로노즐과 기판이 접촉할 때 기판에 형성됩니다. FeFe(CN)6의 이종 결정화는 상온에서 전구체 이온(Fe3+ 및 Fe(CN)3-)의 자발적인 반응을 통해 메니스커스 내의 기판에서 발생합니다. 동시에 메니스커스 표면에서 용매 증발이 발생합니다. 물이 메니스커스에서 증발할 때 물 분자와 전구체 이온은 대류 흐름에 의해 메니스커스 표면으로 이동하여 메니스커스의 바깥 부분에 전구체 이온이 우선적으로 축적됩니다. 이 현상은 FeFe(CN)6의 가장자리 강화 결정화를 유도합니다. 이는 기판에 균일하게 인쇄된 PB 패턴을 얻기 위해 인쇄 단계에서 FeFe(CN)6의 결정화에 영향을 미치는 요인을 제어하는 데 중요합니다. 기존 전기도금과 마찬가지로 전압을 인가하면 기판이 도체가 되어야 했으나, 메니스커스 현상을 이용한 큰 장점은 용매의 자연 증발에 의해 결정화가 일어나기 때문에 사용 가능한 기판에 제약이 없다는 점이다. .
이미지는 GPS 좌표를 실시간으로 수신하여 사용자에게 목적지까지의 방향을 EC 디스플레이에 표시하는 AR 스마트 콘택트 렌즈의 내비게이션 기능이 있는 PB 기반 EC 디스플레이의 개략도를 나타냅니다. 제공: 한국전기연구원
노즐의 정밀한 움직임을 통해 프러시안 블루의 결정화가 지속적으로 진행되어 미세한 패턴을 형성합니다. 패턴은 평면뿐만 아니라 곡면에도 형성할 수 있습니다. 연구팀의 미세패턴 기술은 AR용 스마트 콘택트렌즈 디스플레이에 적용할 수 있는 매우 미세(7.2마이크로미터)하며 색상이 연속적이고 균일하다.
예상되는 주요 응용 분야는 내비게이션입니다. 렌즈를 착용하기만 하면 AR을 통해 사람의 눈앞에 내비게이션이 펼쳐진다. 인기 있는 ‘포켓몬 고’와 같은 게임도 스마트폰이 아닌 스마트 콘택트렌즈로 즐길 수 있다.
KERI 설승권 박사는 “AR 구현을 위한 첨단 스마트 콘택트렌즈를 상용화할 수 있는 논플래너 기판에 기능적인 마이크로 패턴을 인쇄할 수 있는 3D 프린팅 기술을 개발한 것이 성과”라고 말했다. 이어 “AR 기기의 소형화와 범용성에 크게 기여할 것”이라고 덧붙였다.
Superior Science Meniscus-guided micro-printing의 Superior Science Meniscus-guided micro-printing of Prussian Blue는 잉크 메니스커스와 결정화된 FeFe(CN)6의 열 환원에 의해 한정된 기판에서 FeFe(CN)6의 국소 결정화에 의해 실현됩니다. 이 전략은 증강 현실(AR) 스마트 콘택트 렌즈 장치에서 실시간 방향을 제공하는 전기 변색 디스플레이로 사용할 수 있습니다. 제공: 한국전기연구원
관련 연구 결과는 최근 의 표지 논문으로 게재되었습니다. 고급 과학 (IF 17.521/JCR 4.71%)는 재료과학 분야의 세계적인 학술지로 그 우수성을 인정받아 선정되었습니다.
연구팀은 이번 성과가 AR 분야뿐만 아니라 감청색의 미세 패터닝이 필요한 배터리 및 바이오센서 관련 업체들의 많은 관심을 받을 것으로 보고 관련 수요업체를 발굴해 기술이전을 추진할 계획이다.
한편, KERI는 과학기술정보통신부 산하 국가과학기술연구회 산하 정부출연연구기관이다. 설승권 박사는 과학기술대학교(UST) KERI 캠퍼스 교수이기도 하다.
노트
- 전기변색: 전기화학적 반응으로 인해 물질의 색이 가역적으로 변하는 현상.
- 도금은 물체의 표면 상태를 개선하기 위해 다른 금속을 얇게 도포하는 공정입니다. 이 과정에서 전기에너지를 이용하는 것을 ‘전기도금’이라 하고, 전기 없이 화학반응을 이용하는 것을 ‘무전해 도금’이라 한다. 특히 전기 도금은 주로 반지와 같은 보석류 생산에 사용됩니다.
참조: “Meniscus-Guided Micro-Printing of Prussian Blue for Good Electrochromic Show” by 김제형, 박서빈, 안진혁, 표재연, 김하열, 김남훈, 임두정, 설승권, 2022년 11월 28일, 고급 과학.
DOI: 10.1002/advs.202205588
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