과학기술정보통신부(장관 임혜숙)와 IBS(원장 노도영) 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

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 포토리소그래피*를 이용한 선폭 20㎛ 고해상도 패터닝에도 성공했다. 나노박막 전극을 원하는 형태로 재단하여 다양한 전자소자로 만들 수 있음을 의미한다.
* 빛에 반응하는 고분자를 이용해 기판에 원하는 회로나 모양을 식각하는 행위. 현재 나노미터 단위의 세밀한 회로를 반도체에 새기는 데 쓰이고 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.

[그림 1] 마랑고니 효과를 이용하여 신축성 전극을 제작하는 과정. A. 나노재료(은 나노선), 고무/용매(SEBS/돌루엔), 에탄올을 물이 차 있는 수조에 주입한다. B. 마랑고니는 낮은 표면 장력에서 높은 표면 장력으로 이동한다. 점점 질량이 전달되면서 퍼지고 나노선이 이동해서 쌓인다. C. 주입 완료. D. 계면활성제 첨가. 계면활성제 퍼짐. E. 조밀한 쌓임. 용매 증발. F. 나노박막.
▲ [그림 1] 마랑고니 효과를 이용하여 신축성 전극을 제작하는 과정은 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).

[그림 2] 신축성 나노박막 전극의 제조 과정. A) 50cm 자. 0초, 4초, 8초, 12초. 물이 뿌옇게 변함. B) 50cm 자. 계면활성제 첨가 전. 계면활성제 첨가 후. 첨가 후 사진에서는 중간은 맑게 변하고 가장자리에 흰색이 몰림.
▲ [그림 2] 신축성 나노박막 전극의 제조 과정물이 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).

[그림 3] ‘수상 정렬 방법’으로 제조한 전극을 늘리는 모습. 기판 없는 나노박막. 늘리기 전: 0%. 100nm으로 확대했을 때 기판과의 사이가 220nm~280nm. 늘림: 250%. 100nm으로 확대했을 때 기판과의 사이가 60nm~80nm. 늘림: 500%. 100nm으로 확대했을 때 기판과의 사이가 25nm~45nm.
▲ [그림 3] ‘수상 정렬 방법’으로 제조한 전극을 늘리는 모습연구진이 제작한 신축성 전극은 원래 길이의 10배까지 늘려도 전기전도성이 유지된다. 그림은 500% 까지 전극을 늘려본 모습. 전도성 나노재료(나노선)는 고무에 안정적으로 고정되어 있다.

[그림 4] 개발한 나노박막 전극을 이용해 제작한 다기능 웨어러블 디바이스
▲ [그림 4] 개발한 나노박막 전극을 이용해 제작한 다기능 웨어러블 디바이스연구진은 개발한 고신축성 고성능 나노박막 전극을 이용해 피부에 부착하여 습도, 인장 변형, 온도 등 다양한 자극을 동시에 모니터링 할 수 있는 다기능성 전자기기를 제작했다.