구부림, 잡아당김 등 물리적 변형이 가해졌을 경우에도 전기적 특성의 변화가 없는 신축성 있는(Stretchable) 전극이 국내 연구진에 의해 개발됨에 따라, 잡아당길 수 있는 회로를 쉽게 인쇄할 수 있는 가능성이 열렸다. 

연세대 신소재공학과 정운룡 교수 연구팀과 삼성종합기술원이 공동연구한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 세계수준의연구중심대학육성사업(WCU)과 우수연구센터(ERC), 글로벌프론티어사업의 지원으로 수행되었고, 세계 최고 권위의 과학전문지인 네이처 나노테크놀러지(Nature Nanotechnology) 11월호(11월 26일자 온라인)에 게재되었다. (논문명: Highly Stretchable Electric Circuits from a Composite Material of Silver Nanoparticles and Elastomeric Fibers) 

신축성 있는 전자회로는 구부림을 넘어 잡아당길 수 있는 전자소자나 외부 환경으로부터의 자극을 인지할 수 있도록 만든 전자피부(e-skin)를 제조하는데 있어 가장 기본이 되는 기술이라 할 수 있으나, 신축성과 전도성은 서로 상충되는 성질이기 때문에 그 동안 두 가지 특성을 동시에 확보하기가 어려웠다. 

현재까지 개발된 신축성 전극은 잡아당김이 가능한 재료에 코팅된 탄소나노섬유(CNT)와 금속 나노선, 전도성 입자 등을 포함한 탄성체 물질 및 액체 금속이 포함된 고무 등이 시도되었는데, 이러한 물질들은 잡아당기면 전도성이 불안정하거나 미세한 패턴이 어려워 실질적인 디바이스에 적용하는데 한계가 있었다. 

또한 기존의 반도체 제조 공정을 사용하여 잡아당김이 가능한 회로를 만들고자 할 경우에는, 대면적으로 만들기가 어렵고 제조비용이 많이 드는 문제점이 있었다.  

정교수 연구팀은 이와 같은 문제해결을 위해, 신축성이 우수한 고무 고분자에 전기전도도가 우수한 은(Ag)나노입자를 적용한 나노섬유 복합체를 구현하여 신축성 있는 전극 제작기술을 개발하였다. 

블록공중합체 고무 고분자를 전기방사법을 이용하여 나노섬유로 이루어진 150미크론(μm, 1 mm의 1/1000) 두께의 천을 만들어 안정적인 신축성을 확보한 후, 여기에 은 전구체 용액으로 회로를 그린 후, 화학적인 방법으로 은 전구체를 은 나노입자로 바꿔주었다. 이렇게 제조된 복합체 천에는, 각 고무 나노섬유 내에 은 나노입자들이 서로 연결되어 있어 금속 자체의 전기전도도를 얻을 수 있었으며, 반복적인 100%(2배)의 잡아당김에도 금속물질의 전기전도성에 해당하는 전도도를 보여주었다.

이번 기술개발에 이용된 전기방사법은 주사 바늘을 통해 흘러나오는 고분자 용액에 전기장을 걸어주어 머리카락의 약 1/100에 해당하는 실을 뽑아낼 수 있는 기술. 산업화가 이루어진 대표적인 나노기술이다. 

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

또한 본 논문은 나노섬유 복합체 내에 형성된 은 나노입자의 형성과 전도성 메카니즘, 반복 신축시 일어나는 파괴 해석을 통하여 신축성 전극의 활용 가능성을 제시하고, 저가의 프린팅 공정으로 원하는 대로 패터닝을 할 수 있다는 점이 높이 평가되었다.

정운룡 교수는 “이 연구는 이미 산업화가 이루어진 공정인 전기방사법과 간단한 인쇄공정을 사용하여, 넓은 면적의 신축성있는 전자회로를 저비용으로 만들어낼 수 있다는 점에서 산업체 생산라인에도 쉽게 접목이 가능하다. 앞으로 본 연구에서 얻은 신축성있는 회로 제조 기술을 기반으로 입을 수 있는 전자소자, 섬유형태의 전자제품, 전자 피부 (e-Skin) 및 센서 등의 개발할 수 있을 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.

<기사출처 | 교육과학기술부 보도자료>