물리적 변형에도 전기적 특성 변화 없는 신축성 있는 전극 개발

정운룡 연세대 교수팀, 잡아당길 수 있는 회로의 인쇄가능성 열어

정운룡 연세대학교 신소재공학과 교수

아주경제 강규혁 기자=구부림이나 잡아당김 등 물리적 변형이 가해져도 전기적 특성에는 변화가 없는 신축성 있는 전극이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

29일 교육과학기술부는 정운룡 연세대 신소재공학과 교수 연구팀과 삼성종합기술원이 잡아당길 수 있는 회로를 쉽게 인쇄할 수 있는 가능성이 열렸다고 밝혔다.

신축성 있는 전자회로는 구부림을 넘어 잡아당길 수 있는 전자소자나 전자피부를 제조하기 위한 기본이 되는 기술이다.

하지만 신축성과 전도성은 서로 상충되는 성질이라 그간 두 가지 특성을 동시에 확보하는 데 어려움을 겪어왔다.

실제로 현재까지 개발된 신축성 전극은 잡아당김이 가능한 재료에 코팅된 탄소나노섬유(CNT)·금속 나노선·전도성 입자 등을 포함한 탄성체 물질 및 액체 금속이 포함된 고무 등이 시도됐지만, 잡아당길 경우 전도성이 불안정하거나 미세한 패턴이 어려워 실질적인 디바이스에 적용하는데 한계가 있었다.

또 기존의 반도체 제조 공정을 사용해 잡아당김이 가능한 회로를 만들고자 할 때에도, 대면적으로 만들기가 어렵고 제조비용이 많이 드는 문제점이 있었다.

이에 정 교수팀은 신축성이 우수한 고무 고분자에 전기전도도가 우수한 은(銀)나노입자를 적용한 나노섬유 복합체를 구현함으로써, 신축성 있는 전극 제작기술 개발에 성공했다.

우선 블록공중합체 고무 고분자를 전기방사법을 이용해 나노섬유로 이뤄진 150미크론 두께의 천을 만들어 안정적인 신축성을 확보했다. 여기에 은 전구체 용액으로 회로를 그린 후, 화학적인 방법으로 은 전구체를 은 나노입자로 바꿔주었다.

이렇게 제조된 복합체 천에는 고무 나노섬유 내에 은 나노입자들이 서로 연결돼 있어 금속 자체의 전기전도도를 얻을 수 있었다. 더불어 반복적인 100%(2배)의 잡아당김에도 금속물질의 전기전도성에 해당하는 전도도를 나타냈다.

개발된 전구체 용액의 프린팅은 스프레이·잉크젯·노즐 프린팅 등의 일반적인 방법을 사용할 수 있기 때문에, 저비용으로 대면적 회로의 구성이 가능하다.

특히 신축성 전극의 활용 가능성을 제시하고, 저가의 프린팅 공정으로 원하는 대로 패터닝을 할 수 있다는 점을 높게 평가받았다.

이번 연구는 세계 최고 권위의 과학전문지인 네이처 나노테크놀러지 11월호(11월 26일자 온라인)에 게재됐다.

정운룡 교수는 "이번 연구는 이미 산업화가 이루어진 공정인 전기방사법과 간단한 인쇄공정을 사용해, 넓은 면적의 신축성있는 전자회로를 저비용으로 만들어낼 수 있다는 점에서 산업체 생산라인에도 쉽게 접목이 가능하다"며 "신축성있는 회로 제조 기술을 기반으로 입을 수 있는 전자소자·섬유형태의 전자제품·전자 피부 및 센서 등의 개발할 수 있을 것으로 기대한다" 고 말했다.