웨어러블 디바이스 핵심 부품, 세계 최고 성능 ‘나노박막 전극’ 개발

과학기술정보통신부와 IBS 나노입자 연구단 김대형 부연구단장(서울대 교수), 현택환 단장(서울대 석좌교수)은 세계 최고 성능의 나노박막 전극을 개발했고, 국제학술지 사이언스(Science, IF 47.728)에 8월 27일 03시(한국시간) 게재되었다고 밝혔다.

이번 연구는 ‘수상 정렬 방법(Float assembly method)’이라는 새로운 개발 방법을 통해 기존의 방법으로는 구현할 수 없었던 높은 전도성, 나노 두께, 우수한 신축성 등을 모두 지닌 고성능 나노박막 전극을 제조할 수 있게 된 점에서 의미가 있다.

고성능 나노박막 전극은 금속만큼 전기가 잘 통하면서도, 머리카락 두께 1/300 수준(250nm)으로 얇고, 높은 신축성을 지녀 피부 부착형 웨어러블 디바이스의 핵심 부품으로 응용될 것으로 기대된다.

피부 부착형 웨어러블 디바이스는 기계적 물성이 피부의 물성과 비슷한 특성을 가져야 한다. 따라서 디바이스의 핵심 부품인 전극은 우수한 신축성, 높은 전기 전도성, 얇은 두께는 물론 고해상도 패터닝도 가능해야 한다.

우수한 신축성과 고전도성, 얇은 두께 등을 모두 만족하는 전극을 개발하는 것은 매우 달성하기 어려운 목표로 여겨졌지만, 이번 연구로 개발된 ‘수상 정렬 방법’을 통해 가능해졌다.

<수상 정렬 방법>
‘수상 정렬 방법’은 세 단계로 진행된다. 수조에 은 나노선, 고무, 에탄올 등의 혼합액을 떨어뜨리는 단계, 계면활성제를 첨가하는 단계, 그리고 용매를 건조 시키는 단계다.

- 혼합액을 물 표면에 한 방울씩 떨어뜨리면, 중심에서 바깥쪽으로 퍼지는 ‘마랑고니 흐름’에 의해 은 나노선이 수조의 가장자리에 차곡차곡 정렬된다.

* 마랑고니 흐름(Marangoni flows) : 계면을 따라 표면 장력의 크기가 일정하지 않을 때 표면장력이 낮은 곳에서 높은 곳으로 유체가 이동하는 현상을 말한다. 잔에 담긴 와인을 흔들고 나면, 잔에 뭍은 와인이 눈물처럼 아래로 흐르는 ‘와인의 눈물’이 대표적인 마랑고니 효과이다.

- 두 번째로 계면활성제를 수조 중앙에 소량 넣으면 가장자리에 정렬된 은 나노선들이 압력을 받아 더 밀착한 상태가 된다.

- 마지막으로, 용매가 증발하게 되면 얇은 고무막이 남으면서, 단일층의 밀집한 은 나노선들이 나노박막에 부분적으로 박혀있는 구조의 나노박막 전극이 만들어진다. 제조에 걸리는 시간은 5분 정도로 매우 짧다.


이렇게 합성된 나노박막 전극의 전기 전도도는 10만S/㎝로 금속과 유사한 수준이며, 원래 길이의 10배까지 늘어나도 기계적 결함 없이 전기적 성질이 유지된다. 두께는 250nm 수준으로 매우 얇아 피부처럼 굴곡이 있는 표면에도 착 달라붙을 수 있게 되었다.

또한, 연구진은 자외선 포토리소그래피를 이용한 선폭 20㎛ 고해상도 패터닝에도 성공했다. 나노박막 전극을 원하는 형태로 재단하여 다양한 전자소자로 만들 수 있음을 의미한다.

* 자외선 포토리소그래피 (UV photolithography) : 빛에 반응하는 고분자를 이용하여 미세한 모양을 만드는 방법. 대량 생산에 적합하고 미세한 선폭 패터닝이 용이하여 실제 반도체 공정에서 사용되고 있다.

연구진은 나노박막 전극을 이용해 피부 부착형 다기능 적층 디바이스를 개발하였고 피부에서 근전도, 습도, 온도, 인장력 등 다양한 생체신호를 동시에 모니터링 할 수 있음을 증명했다.

김대형 부연구단장은 “고성능 신축성 나노전극은 차세대 웨어러블 디바이스들에 광범위하게 이용되어 이 분야의 발전에 크게 기여할 것”이라고 말했고, 현택환 단장은 “이 ‘수상 정렬 방법’이 금속 전도체 나노소재 뿐만 아니라 반도체, 자성체 등의 여러 종류의 나노소재들과 고무를 조합할 수 있기 때문에, 다양한 고기능성 신축성 나노소재로 개발 될 것”으로 기대했다.

▲ 마랑고니 효과를 이용하여 신축성 전극을 제작하는 과정

은 나노선과 고무, 에탄올 등이 섞여 있는 용액을 물 표면에 뿌려 물 표면 위에 매우 얇은 형태의 늘어나는 전극을 제작하였다. 마랑고니 효과에 의해 용액이 물 표면을 따라 움직이며 나노 선들이 한 방향으로 정렬을 하게 된다(A, B). 용액을 빼곡이 넣은 뒤, 수조 중앙에 계면활성제를 넣으면 수조 가장자리 쪽으로 나노선들이 밀리며 더 조밀한 상태가 된다(C-E). 이후, 용매가 증발하며 얇은 고무막이 남게 되면서 나노박막 전극이 만들어진다(F).

▲ 신축성 나노박막 전극의 제조 과정

물이 담긴 수조의 중앙에 전도성 나노재료, 고무, 에탄올 혼합용액을 떨어뜨리며 나노박막 전극을 제조하고 있는 모습(A). 혼합액의 주입이 끝난 뒤, 수조의 중앙에 계면활성제를 소량 떨어뜨리면 나노재료들이 수조 가장자리 쪽으로 밀리며, 더 조밀한 나노박막 전극을 제조할 수 있다(B).

▲ ‘수상 정렬 방법’으로 제조한 전극을 늘리는 모습

연구진이 제작한 신축성 전극은 원래 길이의 10배까지 늘려도 전기전도성이 유지된다. 그림은 500% 까지 전극을 늘려본 모습. 전도성 나노재료(나노선)는 고무에 안정적으로 고정되어 있다.

▲ 개발한 나노박막 전극을 이용해 제작한 다기능 웨어러블 디바이스

연구진은 개발한 고신축성 고성능 나노박막 전극을 이용해 피부에 부착하여 습도, 인장 변형, 온도 등 다양한 자극을 동시에 모니터링 할 수 있는 다기능성 전자기기를 제작했다.

 

 

출처 : 기초과학연구원