신축성 전자 소자 개발 새 가능성 제시

[산업일보]
국내 연구진이 큰 변형률을 가짐과 동시에 변형이 늘어날수록 전기 저항이 감소하는 특수한 특성을 보이는 새로운 종류의 신축성 전극을 개발했다.
이 기술은 기존의 복잡한 공정도를 간소화해 비용을 크게 낮출 뿐 아니라 높은 수준의 전기적 · 기계적 특성을 얻을 수 있어, 신축성 디스플레이(Stretchable Display), 전자 피부(Electronic Skin) 등 다양한 종류의 차세대 신축성 전자소자(Stretchable Electronics) 개발에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

신축성 전자 소자는 늘어남과 같은 가혹한 기계적 변화를 겪는 환경에서도 정상적인 성능을 유지해야 하는 전자 소자를 의미한다. 이는 기존의 대표적인 전자 소자 재료인 실리콘을 대신해 유연성을 가질 수 있는 유기물 기반의 전자 재료들과 특수한 구조적 특성과 우수한 전기적 특성을 가지는 나노 재료 및 다양한 종류의 신축 가능한 엘라스토머 재료들에 대한 차세대 기술이다. 최근 전 방위적인 기반 연구가 있기에 개발 가능한 기술로써, 향후 큰 규모의 새로운 시장을 창출할 가능성이 매우 높은 분야이다.

이번 연구는 미래창조과학부에서 지원하는 글로벌 프론티어 사업 나노기반 소프트일렉트로닉스연구단(단장 조길원) 지원을 받아 서울대학교 전기 · 정보공학부 홍용택 교수 연구팀이 진행했으며, 연구결과는 재료과학분야의 세계적 학술지인 Advanced Materials 표지논문으로 게재됐다.

신축성 전자소자 기술은 디스플레이, 로봇, 생체 부착형 전자소자 분야에서 향후 많은 응용이 가능할 것으로 기대된다. 이런 신축성 전자소자 개발에 있어서 가장 기본적인 사항이 높은 기계적 변형율과 변형에도 불구하고 정상적인 동작이 가능한 낮은 전기저항 특성을 가진 신축성 전극의 확보다.

그간 신축성 전극 개발을 위해 다양한 방식의 연구가 진행돼 왔다. 초기에 신축성 기반 위에 금속 박막을 제작하는 방식이 연구돼 왔으나 20~30% 이상의 신축이 어려웠다. 그 대안으로 높은 신축이 가능한 전도성 혼합 재료(절연 물질 내부에 전도성 입자를 혼합해 전기적 특성을 띄는 물질)가 새로운 대안으로 연구돼 왔다.

그러나 기존의 전도성 혼합 물질을 사용한 전극은 변형에 따라 전기저항이 오히려 증가하고, 매우 높은 수준의 공정 난도와 특수한 재료 사용에 따른 비용 증가 등의 문제가 있어 난항을 겪어 왔다.

연구팀은 저렴한 비용의 니켈 입자와 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 사용해 외부 자기장으로 니켈 입자를 정렬시키는 간단한 공정을 통해, 초기 상태보다 100% 신축된 환경에도 20Ω 이하의 낮은 전기저항을 가지는 전도성 복합 재료(Conductive Composite Material)를 개발했다.

개발된 전도성 복합 재료를 사용한 신축성 전극은 신축이 증가할수록 전기저항이 감소하는 특성을 보이며, 그 표면에 금속 박막을 결합할 경우 높은 수준의 변형에서도 매우 낮은 전기 저항을 꾸준히 유지할 수 있다.

더 나아가서 개발된 신축성 전극과 발광다이오드의 적절한 조합을 통해 신축 시에도 화소 해상도를 유지할 수 있는 초기 형태의 신축성 디스플레이 장치를 성공적으로 시현했으며, 이 기술은 향후 신축성 디스플레이뿐만 아니라 전자 피부와 같은 신축성 센서 및 다양한 종류의 차세대 신축성 전자 소자 개발에 기여할 것으로 기대된다.

연구팀은 “기존 연구 대비 저렴하고 간단한 공정을 통해 우수한 전기적, 기계적 성능을 가지는 신축성 전극을 개발함으로써 차세대 신축성 전자 소자 개발에 새로운 방향을 제시한 것”이라고 연구 의의를 밝혔다.