발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

최근 유연 소자, 웨어러블 기기, 인체 삽입형 의료기기 등의 연구가 활발해지면서 신축성 전도체는 핵심 기술로 부상했습니다. 하지만 기존 신축성 전도체는 소재가 늘어날 때 저항이 급격히 변하는 고질적인 문제를 안고 있었습니다.

• 나노 물질 퍼콜레이션 방식: 전도체가 늘어나면서 나노 물질 간의 접촉 특성이 변해 저항값이 급격하게 달라지는 문제가 있습니다.

• 액체 금속 튜브 방식: 길이가 늘고 단면적이 줄어들면서 저항값이 커지는 물리적 한계가 명확합니다.

기술의 필요성

이러한 기존 기술의 한계로 인해, 높은 신축성을 가지면서도 전기 저항 변화가 거의 없는 새로운 형태의 전도체 개발이 시급한 과제였습니다. 안정적인 전기 신호 전달은 차세대 전자 기기의 성능과 신뢰성을 담보하는 필수 요건이기 때문입니다.

구현 방법

기술의 원리

본 발명은 높은 전기전도성을 가진 얇은 층 형태의 물질을 '물결(wavy)' 형태로 구부려, 전도체 전체의 길이는 크게 늘어나도 물질 자체의 길이 변화는 최소화하는 혁신적인 원리를 이용합니다.

• 물결 구조 형성: 신축성 기판을 미리 늘린 상태에서 전도성 층(탄소나노튜브 시트 등)을 부착한 후, 다시 원래 길이로 수축시켜 자연스럽게 물결 모양의 주름 구조를 만듭니다.

• 저항 변화 억제: 전도성 층 위에 절연막(부도체)을 덮어 수축 시 물결 구조의 각 부분이 서로 전기적으로 접촉하는 것을 방지합니다. 이를 통해 전기적 경로의 길이가 일정하게 유지되어 저항 변화가 획기적으로 감소합니다.

구체적인 구현 방법

1. 기판 준비 및 신장: 신축성이 뛰어난 실리콘 고무(예: 에코플랙스) 기판을 원하는 비율(예: 600%)만큼 미리 잡아 늘입니다.

2. 전도성 층 부착: 신장된 기판 위에 전도성 물질인 탄소나노튜브(CNT) 시트를 부착합니다. CNT 시트는 여러 겹으로 쌓아 저항 값을 조절할 수 있습니다.

3. 절연막 형성: 저항 변화 최소화를 위해, 부착된 CNT 시트 위에 알루미나(Al₂O₃)와 같은 절연 물질을 얇게 증착합니다. 또는 액상 탄성체를 코팅하여 절연층으로 활용할 수도 있습니다.

4. 수축 및 구조 완성: 기판에 가해진 인장력을 제거하여 본래의 크기로 돌아가게 합니다. 이 과정에서 전도성 층은 표면에 물결 모양의 주름을 형성하며 최종적인 신축성 전도체가 완성됩니다.

기술의 장점

• 초고신축성 및 저저항 변화: 최대 600%까지 늘어나면서도 절연막 적용 시 저항 변화를 1% 미만으로 억제할 수 있습니다.

• 뛰어난 내구성: 느린 속도(2.5mm/s)의 반복적인 인장/수축 실험에서 32,000회까지도 저항 변화가 거의 없이 안정적인 성능을 유지했습니다.

• 우수한 신호 전달 능력: 1MHz의 고주파 펄스 신호도 왜곡 없이 전송할 수 있어 음성, 영상 등 다양한 전기 신호 전달에 매우 유용합니다.

• 간단한 제조 공정: 시중에서 구매 가능한 재료와 비교적 간단한 공정으로 제작이 가능하여 양산 및 상용화에 유리합니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 실험의 목적은 제안된 물결 구조 기반 신축성 전도체의 실제 성능을 검증하는 것이었습니다. 특히, 절연막 적용 여부에 따른 저항 변화율 차이를 정량적으로 비교하고, 반복적인 기계적 변형에 대한 내구성과 고주파 신호 전달 능력을 평가하여 실용화 가능성을 확인하고자 했습니다.

실험 방법 및 과정

1. 시료 제작: 절연보호막이 없는 샘플(실시예 1)과 알루미나 절연보호막을 적용한 샘플(실시예 2)을 각각 제작했습니다.

2. 저항 변화 평가: 각 시료를 0%에서 600%까지 점진적으로 늘리면서 각 인장률에서의 전기 저항 변화를 측정했습니다.

3. 내구성 평가: 시료를 100%에서 300%까지 반복적으로 인장/수축시키며, 저항값이 안정적으로 유지되는 횟수를 측정했습니다.

4. 신호 전달 평가: 제작된 전도체를 오디오 및 비디오 장비에 연결하고, 0% 및 600% 신장 상태에서 신호 왜곡 여부를 오실로스코프로 확인했습니다.

실험 결과

실험 결과, 절연보호막의 적용이 저항 변화를 억제하는 데 결정적인 역할을 하는 것으로 나타났습니다. 600% 인장 시, 절연막이 없는 시료는 저항이 약 10% 증가한 반면, 절연막을 적용한 시료는 1% 미만의 매우 안정적인 저항 변화율을 보였습니다.

또한, 반복적인 인장/수축 테스트를 통해 본 기술의 뛰어난 기계적 내구성을 확인할 수 있었습니다. 특히 느린 속도로 진행된 테스트에서는 3만 회 이상 안정적인 성능을 유지하여, 실제 웨어러블 기기 환경에서의 높은 신뢰성을 입증했습니다.

신축성 전도체 내구성 평가 결과

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 웨어러블 및 플렉서블 디바이스: 스마트 의류, 플렉서블 디스플레이, 전자 피부(E-skin) 등 형태가 변하는 기기의 내부 전극 및 배선으로 활용

• 인체 삽입형 의료기기: 움직임이 많은 인체 내부 환경에서 안정적인 신호 전달이 필요한 바이오센서, 신경 자극기 등의 전극 및 도선

• 로보틱스 및 소프트 로봇: 인간의 움직임을 모사하는 소프트 로봇의 구동부 및 센서부의 신축성 배선

• 신축성 전열 장치: 몸에 밀착하여 사용하는 웨어러블 히터 등 발열체의 전극으로 사용

기대효과

• 차세대 전자소자 상용화 촉진: 기존 신축성 전도체의 기술적 난제였던 '신축 시 저항 변화' 문제를 해결함으로써, 웨어러블 및 플렉서블 기기의 상용화를 앞당길 수 있습니다.

• 제품 신뢰성 및 수명 향상: 반복적인 변형에도 안정적인 전기적 특성을 유지하여, 관련 응용 제품의 내구성과 신뢰도를 획기적으로 높일 수 있습니다.

• 신규 시장 창출: 지금까지 구현이 어려웠던 새로운 형태와 기능의 전자기기 개발을 가능하게 하여, 다양한 산업 분야에서 새로운 부가가치와 시장을 창출할 것으로 기대됩니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

신축성 전도체 기술이 적용되는 전방 산업은 폭발적인 성장세를 보이고 있습니다. 웨어러블 디바이스, 유연 디스플레이, 전자 피부 등 다양한 분야의 성장이 신축성 전도체 시장의 확대를 견인하고 있습니다.

• 전도성 투명 필름 시장: 전 세계 시장은 2016년 약 34.6억 달러에서 2026년 약 84.6억 달러 규모로 연평균 9.4% 성장할 것으로 전망됩니다. (출처: KISTI Market Insight)

• 전자 피부(E-skin) 시장: 2019년 45억 달러에서 2027년까지 연평균 20.5%의 높은 성장률을 기록할 것으로 예상되며, 헬스케어 및 로봇 분야에서 수요가 높습니다. (출처: 한국고무학회지)

• 스마트 섬유 시장: 2021년 27.4억 달러에서 2030년에는 180억 달러 규모에 이를 것으로 예상되며, 연평균 약 26.8%의 폭발적인 성장이 전망됩니다.

주요 플레이어 및 경쟁 환경

삼성전자, LG전자, Apple, Google 등 글로벌 ICT 기업들이 웨어러블 기기 시장을 주도하고 있으며, 소재 및 부품 분야에서도 기술 개발 경쟁이 치열합니다. 특히 전자 피부와 같은 신규 분야에서는 MC10, Xenoma와 같은 전문 기술 기업과 아모레퍼시픽과 같은 이종 산업 기업들도 적극적으로 연구 개발에 참여하고 있습니다.

신축성 전도체 관련 시장 주요 플레이어

산업 동인 및 기회 요인

1. 차세대 디바이스의 부상: 폴더블/롤러블 폰, 스마트 의류, 전자 피부 등 새로운 폼팩터의 등장이 유연하고 신축성 있는 전자 부품의 수요를 견인하고 있습니다.

2. 헬스케어 시장의 성장: 고령화 사회 진입과 함께 실시간 건강 모니터링 및 정밀 재활 치료에 대한 필요성이 증대되면서, 피부 밀착형 유연/신축성 센서의 중요성이 커지고 있습니다. (출처: ETRI-전자통신동향분석)

3. 소재 기술의 발전: 기존의 ITO(산화 인듐 주석)를 대체할 수 있는 탄소나노튜브(CNT), 은나노와이어, 그래핀 등 차세대 나노 물질 기술의 발전이 신축성 전도체 상용화의 기회를 넓히고 있습니다.

4. 정부의 정책적 지원: 한국 정부는 전자 피부, 스마트 섬유 등을 혁신 성장 동력으로 선정하고 정책 금융을 지원하는 등, 관련 산업 육성에 적극적으로 나서고 있습니다. (출처: 한국고무학회지)