A study on soft and reconfigurable electronics based on nanoparticle percolation in phase-transitional soft materials = 상전이 연성 소재에서 나노입자 퍼콜레이션 기반 연성 및 재구성 가능 전자소자에 관한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The structure of an electronic device is pre-determined at its birth, necessitating new designs and fabrication processes for alternative functions. The advent of reconfigurable electronics, modifying its circuits after manufacture, has unlocked the potential for devices to perform adaptive roles as needed. Reconfigurable electronics offer key advantages such as extended device lifetime, functional versatility, and reduced material waste by enabling multiple operations within a single, reprogrammable system. However, implementing a stable and high-degree-of-freedom reconfigurable system across diverse devices with varying functional requirements has remained a persistent challenge.
To address these challenges, this dissertation explores reconfigurable approaches applicable to a range of device platforms, aiming to lay the groundwork for more advanced and adaptable electronic systems in the future. In Chapter 2, we present a reconfigurable circuit patterning system that achieves both high structural reconfigurability and stable electrical junctions through nanoparticle-based assembly. In Chapter 3, we introduce a reconfigurable system based on soft materials, designed to align with the mechanical requirements of soft robotics, particularly in dielectric elastomer actuators (DEAs). By enabling adaptable actuation modes and spatial programmability, the system offers a potential pathway to expand the functional capabilities of existing DEA platforms. Together, these studies highlight material-centric strategies for enabling reconfigurability in both structural and functional dimensions, offering insight into the development of next-generation adaptive electronic systems.

국문 초록 (Abstract)

전자기기는 일반적으로 제작 시점에서 구조가 고정되기 때문에, 새로운 기능을 수행하기 위해서는 새로운 설계 및 제작 공정이 필요하다. 이러한 한계를 극복하기 위해, 제작 이후 회로 구성이 변경 가능한 재구성 가능 전자 시스템 개념이 등장하였으며, 이를 통해 디바이스가 필요에 따라 유연하게 역할을 수행할 수 있는 가능성이 열렸다. 재구성 가능 전자 시스템은 단일 디바이스 내에서 다양한 동작을 프로그래밍 가능하게 함으로써, 기기의 수명 연장, 기능적 다양성 확보, 소재 낭비 감소 등의 장점을 제공한다. 그러나 다양한 기능적 요구를 가진 다종의 디바이스 환경에서, 높은 자유도와 안정성을 동시에 확보하는 재구성 시스템을 구현하는 것은 여전히 기술적 도전 과제로 남아 있다.
본 학위논문에서는 이러한 문제를 해결하고자, 다양한 전자 디바이스 플랫폼에 적용 가능한 재료 기반의 재구성 접근법을 제안하고, 향후 보다 진보된 적응형 전자 시스템의 기반을 마련하고자 하였다. 제2장에서는 나노입자 기반 어셈블리를 이용하여 높은 구조적 재구성과 안정적인 전기적 접합을 동시에 구현한 회로 패터닝 시스템을 제안하였다. 제3장에서는 소프트 로보틱스의 기계적 요구사항에 부합하는 연성 소재 기반의 재구성 시스템을 설계하고, 특히 유전 탄성체 액추에이터에 적용 가능한 구동 모드의 다양성과 공간적 프로그래머빌리티를 확보하였다. 이로써 기존 DEA 기반 시스템의 기능 확장 가능성을 제시하였다.
본 논문은 구조적 및 기능적 차원 모두에서 재료 중심의 재구성 전략을 탐색하였으며, 차세대 적응형 전자 시스템 개발을 위한 새로운 방향성과 실마리를 제공하고자 한다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract ⅰ
• List of Figures ⅵ
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Research back ground 1
• 1.1.1. Soft electronics 1
• 1.1.2. Reconfigurable electronics 2
• 1.2 Goal and outline of this dissertation 3
• Chapter 2. Dynamically assembled magnetic nanoparticles in a phase transitional matrix for reconfigurable electronics 4
• 2.1. Introduction 4
• 2.2 Materials and methods 7
• 2.2.1. Materials 7
• 2.2.2. Fabrication of compliant patterning magnets 7
• 2.2.3. Preparation of electrode system with RAMP 7
• 2.2.4. Preparation of switching and ACEL demonstration with RAMP 8
• 2.2.5. Characterization and measurement 9
• 2.2.6. Finite Element Method (FEM) simulation 10
• 2.2.7. Small angle X-ray scattering (SAXS) analysis 14
• 2.2.8. Calculating the time scale of ODE diffusion 15
• 2.3 Results and discussion 16
• 2.3.1. Reconfigurable Assembly of Magnetic particles in a Phase transitional matrix (RAMP) 16
• 2.3.2. Formation of nanoparticle percolation via magnetic alignment 36
• 2.3.3. Analysis and characterization of RAMP during phase transition 46
• 2.3.4. Reconfigurable electronics demonstration with RAMP 63
• 2.4 Conclusion 69
• Chapter 3. Phase transitional soft conductor for reconfigurable dielectric elastomer actuators 70
• 3.1. Introduction 70
• 3.2 Materials and methods 71
• 3.2.1. Materials 71
• 3.2.2. Synthesis of PTMG 72
• 3.2.3. Colloidal stability test 72
• 3.2.4. Rheological characterization 73
• 3.2.5. Characterization and measurement 74
• 3.2.6. Fabrication and characterization of DEA using various dielectric materials 75
• 3.2.7. Fabrication and operation of Reconfigurable Bending Actuator 76
• 3.3 Results and discussion 76
• 3.3.1. Designing Phase-transitional Magnetic gel (PTMG) as a reconfigurable electrode for dielectric elastomer actuators (DEAs). 76
• 3.3.2. Collective motion and colloidal stability of PTMG 84
• 3.3.3. Mechanical and magneto-dynamic properties of PTMG 90
• 3.3.4. Reconfigurable dielectric elastomer actuators with PTMG 101
• 3.3.5. Increasing sustainability of DEA with PTMG 113
• 3.4 Conclusion 116
• Chapter 4. Conclusion 117
• Reference 119
• Abstract in Korean 125
• Curriculum Vitae 127