3차원 나노패터닝을 통한 세계 최고 수준의 신축성 전극 개발
(KAIST 전석우 교수팀, Nature Communications 게재)

□ Flexible 디스플레이, wearable 컴퓨터와 같은 미래 IT 기술을 실현하기 위해서는 핵심적으로 이용되는 유연전자소자의 전기전도도 저하 없이 신축성을 늘리는 것이 중요하다.
 

○ 기존의 소자 신축성 증대 방식은 늘어나지 않는 재료에 미리 주름을 주거나 변형에 순응할 수 있는 2차원의 평면 기공(pore) 구조를 통해 구현되었으나, 이러한 2차원 구조는 신축성에 자체의 한계와 신축에 따라 전기 전도도가 낮아지는 한계가 있었다.


○  3차원 나노 네트워크 형태의 소자는 신축성과 응력집중 회피의 여러 장점이 있으나 개발 공정의 어려움으로 아직까지 전 세계적으로 개발되지 못하고 있는 기술이다.


□ KAIST 전석우 교수 연구팀은 다년간 개발된 3차원 나노 네트워크 소재 기술을 바탕으로 지난 1년간의 연구를 통해 전자소자 구조를 개발해 이러한 한계를 극복할 수 있었다.


○  KAIST 연구팀이 보유한 세계 최대의 대면적 3차원 나노 패터닝 기술을 이용하여 1X1 인치의 면적에 10마이크론 정도의 두께를 가지는 3차원 정렬 나노기공 구조를 제작하였다.


○ 제작된 나노기공구조를 template으로 활용하여 기공에 탄성중합체를 침투시킨 후에 주형을 제거하여 역상의 3차원 신축성 나노소재를 제작하였다.


○ 이렇게 제작된 3차원 나노네트워크 소재 내부에 액체상의 전도성 물질을 침투시켜 고신축성 유연 전극을 개발할 수 있었다.


□ 이 전극은 220 늘어난 상황에서도 전기 전도성의 변화 없이 LED램프를 성공적으로 구동하였다.


□ 이 연구 결과는 네이쳐 자매지인 ‘네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재 승인되어 6월 26일자 온라인판에 리서치 하이라이트로 공개되었다.

 [상세 연구내용]

 소재가 가지는 신축성 (stretchability)은 소재의 고유 물성으로 제어하기 쉽지 않다는 기존의 이해를 넘어서는 혁신적인 연구결과!

 KAIST 신소재공학과 전석우 교수와 김도경 교수, 그리고 미국 노스웨스턴 대학과 일리노이 대학 연구팀은 세계 최대 대면적 3차원 나노패터닝 기술을 근간으로 3차원 나노네크워크화 된 소재를 제작하여 소재가 가지는 고유 신축성 한계를 크게 뛰어넘는 소재를 만드는데 성공하였다. 이렇게 제작된 소재의 3차원으로 연결된 기공구조 안에 전도성 액체금속을 채워 넣어 최근 각광받고 있는 유연소자 (flexible device)의 핵심기술인 신축성 전극 (stretchable electrode)를 구현하였는데 이 전극은 220의 인장 상황에서도 전도성의 변화 없이 LED램프를 성공적으로 구동하였다.

 이 연구결과는 전자책 (ebook), 유연 디스플레이 (flexible display), 웨어러블 컴퓨터 (wearable computer) 등 다양한 차세대 전자소자 실현을 앞당길 수 있는 신축성 전극 제작 원천기술이다. 미래 IT 시장의 주역으로 기대되는 유연전자소자는 단순한 경량화의 범주를 벗어나 사용자의 사용편의성을 극대화하기 위하여 쉽게 접고 구부릴 수 있어야 하는 것은 물론 옷이나 패치 형태로 인간의 생활환경하에서 불편함이 없이 늘어나며 쉽게 손상되지 않아야 한다. 대부분의 전도성 물질들은 조금만 잡아당기면 전도특성을 모두 잃게 되지만 이번에 개발된 신축성 전극은 이러한 특성을 만족하여 원하는 성능을 구현할 수 있을 것으로 예상된다. 

 소재의 신축성을 결정하는 인자는 무엇일까? 신축성은 소재가 가지는 고유 특성으로 소재를 구성하는 성분과 성분 간의 결합특성에 의해 결정이 된다. 유연소자에 대한 관심이 커지면서 소재의 신축성 한계를 늘리는 것은 매우 중요한 연구 테마로 떠오르고 있다. 기존의 소재 신축성 증대 방식은 대부분 늘어나지 않는 재료에 미리 주름을 주거나 변형에 순응할 수 있는 2차원의 평면 기공 (pore) 구조를 통해 구현되었다. 이는 아코디언이 늘어났다 줄었다 하는 것이나 신축성이 없는 종이가 파티 장식을 만드는 기법으로 가위로 자국을 내주면 크게 늘어나는 것과 같은 원리이다. 이에 비해 3차원의 네트워크 형태의 기공 구조는 높은 신축성과 응력집중 회피의 여러 장점이 있으나 이미 얇은 두께를 가지는 유연소자에 3차원 정렬 나노기공 구조를 제작하는 것은 높은 비용과 공정의 어려움으로 아직까지 실현되지 못하였다.

 교신저자인 전석우 교수 연구팀에서는 연구팀이 보유한 세계 최대의 대면적 3차원 나노패터닝 기술 (위상차 근접장 나노패터닝, Proximity field nanoPatterning)을 활용하여 1X1 인치의 면적에 10 마이크론 정도의 두께를 가지는 3차원 정렬 나노기공 구조를 제작하였고 이를 템플레이트로 활용하여 원하는 물질을 침투시킨 후에 템플레이트를 제거하는 방식으로 대면적 3차원 나노네트워크 소재를 제작하였다. 이렇게 제작된 3차원 나노네트워크 소재의 기공구조는 서로 완벽한 정렬 상태로 잘 연결되어 있고 이 연결된 기공에 액체상의 전도성 물질을 주입하고 봉합을 하게 되면 외부의 응력에 의한 큰 변형에도 높은 전도도를 유지할 수 있게 된다. 기존의 신축성 전극은 100 이상의 신축성능을 보인다고 하더라도 변형에 의한 전도성의 저하가 일반적으로 보고되고 있다. 하지만 이번에 새로 개발된 신축성 전극은 220의 인장상태에도 전도성의 저하가 나타나지 않으며 또한 소재의 전도도 역시 기존의 보고된 어떠한 신축성 전극보다 우수하다.

 연구팀은 이 기술이 신축성 전극뿐만 아니라 다양한 나노구조 관련 연구와 응용에 큰 파급효과를 줄 것으로 전망한다. 자연계에 존재하는 많은 물질들은 구성원소나 원자나 분자간의 결합뿐만 아니라 그 물질이 가지는 3차원의 나노구조에서 기인하는 우수한 기계적, 광학적, 전기적 물성을 가지게 된다. 이러한 물성을 본 연구를 통해 개발된 대면적 3차원 나노패터닝 기술을 통해 앞으로 계속적으로 구현하게 될 것이다.

[그림 설명]
대면적의 3차원 정렬 나노기공 구조 (하단 2 프레임)로 제작된 10㎛ 두께의 3차원 나노네트워크 구조를 가지는 신축성 재료 (상단).