은 나노와이어와 탄소나노튜브 복합소재 개발

[산업일보]
국내 연구진이 투명성과 신축성, 두 마리 토끼를 모두 잡을 수 있는 복합소재를 개발해냈다. 투명한 은 나노와이어와 유연한 탄소나노튜브 각각의 장점을 살린 이 복합소재는 차세대 웨어러블 전자장치 개발의 실마리가 될 것으로 기대된다.

서울대 기계항공공학부 고승환 교수 주도로 이필립 연구원(제1저자, MIT), 함주연 연구원(제1저자, KAIST), 이진환 연구원(제1저자, KAIST) 등이 미래창조과학부가 추진하는 중견연구자지원사업의 지원으로 수행한 이번 연구결과는 첨단기능성 소재 분야 국제학술지 어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)지에 게재됐다. 한편 저널은 이 연구결과의 중요성에 주목해 해당 논문을 VIP(very important and urgent paper)로 평가했다.

전도성과 투명성이 뛰어난 ITO는 투명전극 소재로 상용되지만 매장량에 한계가 있어 가격이 불안정하며 유연성이 떨어져 웨어러블 소자의 소재로는 한계가 있었다.
ITO(Indium Tin Oxide, 인듐주석산화물)는 산화주석에 인듐(Indium)을 첨가해 만든 전도도와 투과도가 높은 물질로 디스플레이나 태양전지 등의 투명전극 소재로 널리 쓰인다. 또 은 나노와이어는 투명하나 유연성이 떨어지고 탄소나노튜브는 유연하나 투명성이 떨어져 각각 투명전극 소재로 한계가 있었다. 이에 연구팀은 은 나노와이어와 탄소나노튜브를 복합, 각각의 단점을 보완한 투명하고 신축성이 뛰어난 투명전극용 전극소재를 고안했다.

진공펌프의 기압차를 이용해 걸러내는 방식으로 필터 위에 탄소나노튜브 박막과 은 나노와이어 박막을 차례로 만들고 그 위에 유연한 기판을 얹은 다음 마치 도장을 찍듯 두 박막층을 필터에서 기판으로 옮겨 복합소재를 만들었다.
실제 이렇게 만들어진 전극소재는 ITO와 상응하는 수준의 투명도(85% 이상)와 전도성을 보이는 것으로 나타났다.
유연성 측면에서도 향상됐다. 10,000회의 굽힘이나 완전한 접힘, 원래 길이의 4배 이상으로 잡아당겨도 전도도를 유지하는 것으로 나타났다.
연구팀은 터치스크린에 이 복합소재를 이용한 전극을 구현한 데서 나아가 공정시간 단축과 대면적화를 위한 후속연구를 계속할 계획이다.

고 교수는 “개발된 제작방법은 은 나노와이어와 탄소나노튜브 이외에도 적용할 수 있고 자유로운 패터닝이 가능해 여러 나노소재로 다양한 형태의 박막층을 만드는 데 응용될 것”이라며 “개발한 박막층이 터치스크린이나 센서 및 각종 웨어러블 전자장치에 널리 쓰이는 것”이 목표라고 밝혔다.
또 이번 연구에서는 개발한 다 계층적 나노복합재를 통해 만든 투명전극으로 터치스크린을 구현해 다수의 전자장치에 직접 적용할 수 있는 부품으로서의 가능성을 보여줬다. 계속해서 유연전극 제작기술을 이용해 인간의 피부와 닮은 유연센서를 구현한다면 눈에 보이지 않는 무의식의 컴퓨터 및 전자장치 공간인 유비쿼터스 환경 구축에 큰 공헌을 할 것으로 보인다.

미래 웨어러블 전자장치의 부품의 가능성을 한 단계 발전시킨 이 기술은 고 신축성 고 투명도 전자제품에 대한 다양한 접근 방향을 촉진할 것으로 예상된다. 이 다 계층적 나노복합재 제작 기술은 은 나노와이어와 탄소 나노튜브에 국한 되지 않으며, 진공여과(vacuum filtration)과정에서 자유자재 모양으로 패턴이 가능해 다양한 나노소재로 다양한 형태의 박막층을 다 계층으로 발전시킬 수 있다. 고 교수는 “앞으로 남은 이 기술의 실용화를 위한 숙제는 재료와 패턴을 지금보다 공정시간을 단축하고 대면적으로 만드는 것”이라고 설명했다.