세계 최고 성능 나노박막 전극개발
세계 최고 성능 나노박막 전극개발
  • 박미진 기자
  • 승인 2021.09.06 13:37
  • 댓글 0
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기초과학연구원 나노입자 연구단 현택환 단장, 김대형 부연구단장
개발한 나노박막 전극을 이용해 제작한 다기능 웨어러블 디바이스
■ 개발한 나노박막 전극을 이용해 제작한 다기능 웨어러블 디바이스 ■ Ⓒ기초과학연구원

웨어러블 디바이스는 생체의료기기, 인간-컴퓨터 인터페이스 그리고 증강현실과 같이 다양한 용도로 사용하기 위해 개발되고 있다. 피부는 부드러우며 늘어날 수 있는 물리적 성질을 가지고 있어서, 그 위에 올리는 전자기기 역시 그러한 물성을 가지고 있어야 한다. 이러한 전자기기를 만들기 위해서는 전자기기를 구성하는 가장 기본적인 요소 중 하나인 전극 역시 늘어날 수 있어야 하며, 늘어나는 과정에서 전기 전도성을 유지해야 한다.

, 신축성 전극은 높은 전기전도도, 높은 신축성, 얇은 두께와 같은 특성을 모두 가지면서도 활용성을 위해 고해상도 패터닝이 가능해야 한다. 하지만 전기전도도와 신축성은 서로 상충하는 특성이 있어 두 특성을 모두 만족하는 신축성 전극을 개발하는 것은 불가능으로 여겨졌다. 그리고 얇은 두께나 고해상도 패터닝 역시 기존의 방법으로 개발된 신축성 전극으로는 달성하기 어려웠던 목표다

 

이에 기초과학연구원 나노입자 연구단 김대형 부연구단장(서울대 교수), 현택환 단장(서울대 석좌교수)은 세계 최고 성능의 나노박막 전극을 개발했고, 국제학술지 사이언스(Science, IF 47.728)82703(한국시간) 게재되었다고 밝혔다.

 

물의 표면에 표면장력이 더 작은 다른 액체를 떨어뜨리면 국소적으로 표면장력이 낮아진다. 이때 생긴 표면장력의 차이는 떨어뜨린 액체가 물의 표면을 따라 얇게 퍼져나가도록 한다. 이를 마랑고니 흐름이라고 한다.

마랑고니 흐름은 수상에서 나노재료가 단일 층에서 조밀하게 정렬하도록 하고, 아주 얇은 고무/용매 막이 만들어질 수 있도록 한다. 이후, 용매가 증발하고 나면, 얇은 고무막이 남으면서 단일층의 조밀한 나노재료가 매우 얇은 고무박막에 부분적으로 박혀있는 특이한 구조의 나노박막 전극이 남게 된다.

이러한 구조의 장점은 높은 열없이 상온에서 인접한 나노재료를 부착하는 상온용접과 층층이 쌓아 올리는 적층 공정이 가능하다는 점이다. 상온용접은 인접한 나노재료 간의 접촉 질을 확연히 개선하며, 적층공정은 나노재료 간의 접촉 수를 획기적으로 증가시켜 전극의 성능을 극대화한다.

 

■ 마랑고니 효과를 이용하여 신축성 전극을 제작하는 과정 ■
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) Ⓒ기초과학연구원

연구진이 제작한 나노박막 전극은 10S/cm 정도의 금속과 유사한 정도의 전기전도도를 가지며, 처음 길이의 10배까지 늘여도 전기전도성을 유지할 수 있다. , 연구진은 자외선 포토리소그래피를 이용해 원하는 모양으로 나노재료에 선폭 20의 고해상도 패터닝을 진행하는 데도 성공했다. 자외선 포토리소그래피는 대량 생산에 적합하여 실제 반도체 공정에서 사용되고 있는 방식이다.

나노박막 전극의 전기전도도는 10S/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 되었다또한, 자외선 포토리소그래피를 이용한 선폭 20고해상도 패터닝에도 성공했다. 나노박막 전극을 원하는 형태로 재단하여 다양한 전자소자로 만들 수 있음을 의미한다.

 

■ 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. Ⓒ기초과학연구원

​​​​​​​연구진은 수상정렬방법이 다양한 물질에 적용할 수 있으므로 금속나노재료와 고무를 이용하여 만드는 고성능 신축성 나노박막 전극뿐만 아니라 다양한 반도체, 자성체등의 나노재료와 고분자를 이용한 신축성 박막 재료를 만드는 데에 활용될 수 있다고 전했다. 또한, 금속 나노재료와 고무를 통하여 만든 고성능 신축성 나노박막 전극은 그 전기적인 성능이 뛰어날 뿐 아니라 얇은 두께를 가지고 있으며 고해상도의 패터닝이 가능하여 웨어러블 디바이스에 사용하기에 매우 적합하므로 개발된 나노박막 전극이 다양한 웨어러블 디바이스의 개발에 핵심 부품으로서 주요한 역할을 하리라 기대한다고 밝혔다.

 

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