대면적 3차원 정렬 나노 기공구조(좌측 하단 2프레임)로 제작한 10㎛ 두께 3차원 나노 네트워크 구조를 갖는 신축성 재료(좌측 상단)와 신축성 증대모식도(우측).
글로벌프런티어 소프트 일렉트로닉스연구단 카이스트 전석우, 김도경 교수팀이 주도하고, 미국 노스웨스턴대와 일리노이대 공동연구팀이 협력해 고신축성 차세대 유연 전자 소자 원천 기술을 개발했다. 유연 디스플레이(Flexible Display), 입는 컴퓨터(WearableComputer) 등 미래IT 기술을 실현하려면, 핵심적으로 이용하는 유연전자소자의 신축성을 전기전도도 저하없이 늘려야 한다. 기존 소자의 신축성 증대방식은 아코디언이 늘어났다 줄었다하는 것과 같이 늘어나지 않는 재료(소재)에 미리 주름을 주거나, 변형에 순응하는 2차원 평면기공(Pore) 구조로 구현했다. 이러한 2차원 구조는 신축에 따라 전기전도도가 낮아졌다. 이를 극복하고자 연구팀은 다년간 개발한 3차원 나노네트워크소재기술을 바탕으로 전자소자구조를 개발했다. 3차원 나노네트워크형태 소자는 신축성, 응력집중회피 등 여러장점에도 공정이 어려워 전세계적으로 개발하지 못하던 기술이다.
카이스트 신소재공학과 전석우·김도경 교수,미국 노스웨스턴대, 일리노이대 공동 연구팀은 세계 최대 대면적 3차원 나노 패터닝 기술을바탕으로 3차원 나노 네트워크 소재를 제작했다. 소재가 갖는 고유한 신축성의 한계를 뛰어넘은 것이다. 3차원으로 연결한 기공 구조 안에 전도성 액체금속을 채워 넣어 최근 각광받는 유연 소자(Flexible Device)의 핵심 기술인 신축성 전극 (Stretchable Electrode)을 구현했는데, 이 전극은220% 인장 상황에서 전도성 변화 없이 LED 램프를 성공적으로 구동했다. 연구 결과는 전자책(e-Book), 유연 디스플레이,입는 컴퓨터 등 다양한 차세대 전자 소자 실현을 앞당길 신축성 전극 제작에 필요한 원천 기술이다. 미래 IT 시장의 주역인 유연 전자 소자는 경량화를 넘어 사용자의 편의성을 극대화하기 위해 쉽게 접고구부려야 하며, 옷이나 패치 형태로 생활환경하에서 불편함 없이 늘어나야 한다. 대부분의 전도성 물질은 조금만 잡아당기면 전도성을 모두 잃지만, 개발한 신축성 전극은 이러한 특성을 충족해 원하는성능을 구현할 것으로 보인다.
3차원 나노 네트워크 소재 내부에 액체상 전도성 물질을 침투시켜 제작한 고신축성 전도체와 LED 연결 모식도(좌측), 고신축성 전도체를 활용해 고유 인장 한계치를넘어 220% 인장시에도 정상작동하는 LED 구동 모습(우측).
소재의 신축성을 결정하는 인자는 무엇일까. 신축성은 소재가 갖는 고유한 성질로, 소재를 구성하는성분과 성분 간 결합 특성이 좌우한다. 유연 소자에관한 많은 관심으로 소재의 신축 한계를 늘리는 것은 중요한 연구 테마로 떠올랐다. 기존 소재의 신축성 증대 방식은 대부분 늘어나지 않는 재료에 미리주름을 주거나, 변형에 순응할 수 있는 2차원 평면기공 구조를 통해 구현했다. 아코디언이 늘어났다줄었다 하거나, 신축성 없는 종이가 파티 장식품처럼 가위로 자국을 주면 많이 늘어나는 것과 같은 원리다. 이에 비해 3차원 네트워크 형태의 기공 구조는 높은 신축성과 응력 집중 회피 등 장점이 많지만,이미 얇은 두께를 갖는 유연 소자를 3차원 정렬 나노 기공 구조로 만드는 것은 높은 비용과 어려운 공정으로 실현하지 못했다. 교신 저자인 전석우 교수 연구팀은 자체 보유한세계 최대 대면적 3차원 나노 패터닝 기술을 활용해 1×1인치 면적에 10마이크론 정도 두께를 갖는3차원 정렬 나노 기공 구조를 제작했고, 이를 템플레이트Template로 활용해 원하는 물질을 침투시킨 후 템플레이트를 제거하는 방식으로 대면적 3차원 나노 네트워크 소재를 제작했다. 이렇게 제작한3차원 나노 네트워크 소재 기공 구조는 서로 완벽한 정렬 상태로 잘 연결돼, 이 기공에 액체상 전도성 물질을 주입하고 봉합하면 외부 응력에 의한 큰변형에도 높은 전도도를 유지한다. 기존 신축성 전극은 100% 이상 신축성을 보이더라도 변형 때문에 전도성이 떨어졌다. 하지만 새로 개발한 신축성전극은 220% 인장 상태에서 전도성이 떨어지지않았으며, 소재의 전도도 역시 기존 신축성 전극보다 우수했다. 연구는 전석우 교수 연구실 박준용, 안창의 대학원생과 현가담 연구교수가 주요 실험을 진행했으며, 김도경 교수 연구실 김동석 대학원생이 측정 부분을, 미국 연구진이 컴퓨터 계산을 도와 진행했다. 연구팀은 이 기술이 신축성 전극뿐만 아니라 다양한 나노 구조와 관련한 연구와 응용에 파급 효과를줄 것으로 전망했다. 자연계에 존재하는 많은 물질은 구성 원소나 원자나 분자 간 결합뿐만 아니라 그물질이 갖는 3차원 나노 구조에서 기인하는 우수한기계적, 광학적, 전기적 물성을 띤다. 이러한 물성을연구 개발한 대면적 3차원 나노 패터닝 기술로 계속해서 구현할 것으로 보인다. 전석우 교수는 "차세대 전자 소자인 유연 소자 개발에서 세계 최고 수준의 신축성 전극을 국내 기술로 개발함으로써, 이 분야에서 우리나라가 기술 우위를 선점할 것으로 전망한다"고 연구 의의를 밝혔다. 연구 결과는〈네이처 커뮤니케이션즈NatureCommunications〉에 게재됐다.
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