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| ▲ 진공 전사 공정을 통한 탄소 나노튜브(회색) 박막층과 은 나노와이어(적색) 박막층의 다계층적 나노복합재의 SEM 사진 |
[동양뉴스통신] 김혜린 기자 = 서울대 기계항공공학부 고승환 교수 주도로 이필립 연구원(제1저자, MIT), 함주연 연구원(제1저자, KAIST), 이진환 연구원(제1저자, KAIST) 등이 투명성과 신축성, 두 마리 토끼를 모두 잡을 수 있는 복합소재를 개발했다.
투명한 은 나노와이어와 유연한 탄소나노튜브 각각의 장점을 살린 이 복합소재는 차세대 웨어러블 전자장치 개발의 실마리가 될 것으로 기대된다.
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| ▲ 고승환 교수 |
미래창조과학부가 추진하는 중견연구자지원사업의 지원으로 수행한 이번 연구결과는 첨단기능성소재 분야 국제학술지 어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)지 7월 14일자에 게재되었다. 이 저널은 연구결과의 중요성에 주목하여 해당 논문을 매우 중요한 논문(very important and urgent paper)으로 평가했다. (논문명 : Highly stretchable or transparent conductor fabrication by hierarchical multiscale hybrid nanocomposite)
연구진은 은 나노와이어와 탄소나노튜브를 복합해 각각의 단점을 보완한 투명하고 신축성이 뛰어난 투명전극용 전극소재를 고안했다.
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| ▲ 이필립 박사 |
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| ▲ 이진환 제1저자 |
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| ▲ 함주연 제1저자 |
굽히거나 접어도 안정적으로 전도성을 유지해 착용하였을 때 불편함이 없는 차세대 웨어러블 전자장치 개발에 기여할 것으로 기대된다.
이렇게 만들어진 전극소재는 ITO와 상응하는 수준의 투명도 (85% 이상)와 전도성을 보이는 것으로 나타났다.
유연성 측면에서도 향상돼 1만회의 굽힘이나 완전한 접힘, 원래 길이의 4배 이상으로 잡아당겨도 전도도를 유지하는 것으로 나타났다.
연구진은 터치스크린에 이 복합소재를 이용한 전극을 구현한 데서 나아가 공정시간 단축과 대면적화를 위한 후속연구를 계속할 계획이다.
고승환 교수는 “개발된 제작방법은 은 나노와이어와 탄소나노튜브 이외에도 적용할 수 있고 자유로운 패터닝이 가능해 여러 나노소재로 다양한 형태의 박막층을 만드는 데 응용될 것”이라고 밝혔다.
한편 전도성과 투명성이 뛰어난 ITO(Indium Tin Oxide, 인듐주석산화물 : 산화주석에 인듐(Indium)을 첨가해 만든 전도도와 투과도가 높은 물질)는 현재 LCD, PDP, OLED와 터치스크린, 플렉서블 디스플레이에 이르기까지 투명전극으로 널리 이용되고 있는 재료이다.
이러한 ITO는 전도성, 투명도 측면에서 각광받는 물질이지만 매장량에 한계가 있어 가격이 불안정하며 내재적인 세라믹 특성으로 인해 유연소자 적용에 한계가 있다.
이에 대한 대안으로 금속 및 산화 금속 나노와이어 또는 탄소 동소체를 이용한 유연전극이 개발되고 있는데, 은 나노와이어로 구성된 유연전극은 전도성과 투명도 측면에서 ITO와 유사하며 경제성 측면에서도 우수하여 주목받고 있지만 유연전극으로 적용하기에 내구성이 다소 떨어지는 한계가 있다.
은 나노와이어 박막층을 유연소자로 활용하기 위해서는 산화 및 물리적 스트레스로부터 견딜 수 있도록 강화하는 과정이 필요하다.
탄소 동소체, 특히 탄소나노튜브는 ITO와 같은 희소물질이 아니므로 경제성 측면에서 보다 우수하며 전극의 소재 면에서 기계적 강도가 우수하여 유연 소자의 제작에 유리하다는 장점이 있다.
그러나 탄소나노튜브 박막층을 이용한 전극은 ITO와 금속 및 산화 금속 나노와이어를 적용한 박막층에 비해 투명전극 소재로서 요구되는 투과율과 면저항 값에서 다소 떨어진다는 한계가 있다.
이번 연구에서는 개발한 다 계층적 나노복합재를 통해 만든 투명전극으로 터치스크린을 구현해 다수의 전자장치에 직접 적용할 수 있는 부품으로서의 가능성을 보여주었다.
계속해서 유연전극 제작기술을 이용하여 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 다계층적 나노복합재 제작 기술은 은 나노와이어와 탄소 나노튜브에 국한 되지 않으며, 진공여과(vacuum filtration)과정에서 자유자재의 모양으로 패턴이 가능해 다양한 나노소재로 다양한 형태의 박막층을 다 계층으로 발전시킬 수 있다.
앞으로 재료와 패턴을 지금보다 공정시간을 단축하고 대면적으로 만드는 것이 이 기술의 실용화를 위한 남은 과제는 이다.
