세계 최고 성능 나노박막 전극 개발-기초과학연구원, 머리카락 1/300 두께, 10배까지 늘어나는 고전도성 소재 개발

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2021. 8. 29.

세계 최고 성능 나노박막 전극 개발-기초과학연구원, 머리카락 1/300 두께, 10배까지 늘어나는 고전도성 소재 개발

부서 기초연구진흥과

 

 

세계 최고 성능 나노박막 전극 개발

- 기초과학연구원, 머리카락 1/300 두께, 10배까지 늘어나는 고전도성 소재 개발 -

- 착용 기기(웨어러블 디바이스)의 핵심 부품으로 이용될 것으로 기대 … 사이언스지 게재 - 

 

 

 

□ 과학기술정보통신부(장관 임혜숙)와 기초과학연구원(원장 노도영) 나노입자 연구단 김대형 부연구단장(서울대 교수), 현택환 단장(서울대 석좌교수)은 세계 최고 성능의 나노박막 전극을 개발했고, 국제학술지 사이언스(Science, IF 47.728)에 8월 27일 03시(한국시간) 게재되었다고 밝혔다.

◦ 이번 연구는 ‘수상 정렬 방법(Float assembly method)’이라는 새로운 개발 방법을 통해 기존의 방법으로는 구현할 수 없었던 높은 전도성, 나노 두께, 우수한 신축성 등을 모두 지닌 고성능 나노박막 전극을 제조할 수 있게 된 점에서 의미가 있다.

◦ 고성능 나노박막 전극은 금속만큼 전기가 잘 통하면서도, 머리카락 두께 1/300 수준(250nm)으로 얇고, 높은 신축성을 지녀 피부 부착형 착용기기(웨어러블 디바이스)의 핵심 부품으로 응용될 것으로 기대된다.

 

□ 피부 부착형 착용기기는 기계적 물성이 피부의 물성과 비슷한 특성을 가져야 한다. 따라서 디바이스의 핵심 부품인 전극은 우수한 신축성, 높은 전기 전도성, 얇은 두께는 물론 고해상도 패터닝도 가능해야 한다.  

◦ 우수한 신축성과 고전도성, 얇은 두께 등을 모두 만족하는 전극을 개발하는 것은 매우 달성하기 어려운 목표로 여겨졌지만, 이번 연구로 개발된 ‘수상 정렬 방법’을 통해 가능해졌다. 

 

 

< 수상 정렬 방법 >

 

 

 ◦ ‘수상 정렬 방법’은 세 단계로 진행된다. 수조에 은 나노선, 고무, 에탄올 등의 혼합액을 떨어뜨리는 단계, 계면활성제를 첨가하는 단계, 그리고 용매를 건조 시키는 단계다.

   - 혼합액을 물 표면에 한 방울씩 떨어뜨리면, 중심에서 바깥쪽으로 퍼지는 ‘마랑고니 흐름*’에 의해 은 나노선이 수조의 가장자리에 차곡차곡 정렬된다.

     * 국부적인 표면장력 차이에 의해 발생하는 유체의 흐름

   - 두 번째로 계면활성제를 수조 중앙에 소량 넣으면 가장자리에 정렬된 은 나노선들이 압력을 받아 더 밀착한 상태가 된다.

   - 마지막으로, 용매가 증발하게 되면 얇은 고무막이 남으면서, 단일층의 밀집한 은 나노선들이 나노박막에 부분적으로 박혀있는 구조의 나노박막 전극이 만들어진다. 제조에 걸리는 시간은 5분 정도로 매우 짧다.

 

 

 

□ 이번 개발된 나노박막 전극의 전기 전도도는 10만S/㎝로 금속과 유사한 수준이며, 원래 길이의 10배까지 늘어나도 기계적 결함 없이 전기적 성질이 유지된다. 두께는 250nm 수준으로 매우 얇아 피부처럼 굴곡이 있는 표면에도 착 달라붙을 수 있게 되었다.

◦ 또한, 자외선 포토리소그래피*를 이용한 선폭 20㎛ 고해상도 패터닝에도 성공했다. 나노박막 전극을 원하는 형태로 재단하여 다양한 전자소자로 만들 수 있음을 의미한다.

     * 빛에 반응하는 고분자를 이용해 기판에 원하는 회로나 모양을 식각하는 행위. 현재 나노미터 단위의 세밀한 회로를 반도체에 새기는 데 쓰이고 있다.

◦ 연구진은 나노박막 전극을 이용해 피부 부착형 다기능 적층 디바이스를 개발하였고 피부에서 근전도, 습도, 온도, 인장력 등 다양한 생체신호를 동시에 모니터링 할 수 있음을 증명했다.

 

□ 김대형 부연구단장은 “고성능 신축성 나노전극은 차세대 웨어러블 디바이스들에 광범위하게 이용되어 이 분야의 발전에 크게 기여할 것”이라고 말했고, 현택환 단장은 “이 ‘수상 정렬 방법’이 금속 전도체 나노소재 뿐만 아니라 반도체, 자성체 등의 여러 종류의 나노소재들과 고무를 조합할 수 있기 때문에, 다양한 고기능성 신축성 나노소재로 개발 될 것”으로 기대했다.

 

<참고자료> : 1. 논문 정보          2. 연구이야기          3. 용어설명

             4. 그림설명        5. 연구자 이력사항

 

 

논문 정보 

 

□ 논문명/저널

◦ Highly conductive and elastic nanomembrane for skin electronics / Science

 

□ 저자 

◦ 정동준(공동 제1저자, IBS/서울대), 임채홍(공동 제1저자, IBS/서울대), 심형준(공동 제1저자, IBS/서울대), 김영준(IBS/서울대), 박찬슬(IBS/서울대), 정재봉(부산대), 한상인(IBS/서울대), 선우성혁(IBS/서울대), 조경원(IBS/서울대), 차기두(IBS/서울대), 김동찬(IBS/서울대), 구자훈(서울대), 김지훈(부산대), 현택환(공동교신저자, 연구책임자, IBS), 김대형(공동교신저자, 연구책임자, IBS)

 

□ 주요내용

  웨어러블 디바이스는 두께가 얇으면서, 신축성이 있고, 전도성도 높은 신축성 전극을 필요로 한다. 하지만 지금까지 이 조건을 모두 갖춘 소재가 개발된 적은 없었다.

  연구진은 이 조건을 모두 갖춘 소재를 손쉽게 개발할 수 있는 방법을 처음으로 제시했다. 액체의 표면장력 차이로 인한 흐름(마랑고니 흐름)을 이용하는 방법으로 연구진은 이 공정을 ‘수상 정렬 방법(Float assembly method)’이라 명명했다.

 수상 정렬 방법을 이용하면 수조에 혼합액을 떨어뜨리는 간단한 공정만으로 수분 내에 나노박막 전극을 합성할 수 있다. 나노박막 전극은 머리카락 1/300 수준으로 얇고, 전도도는 금속 수준으로 높고, 또 원래 길이의 10배까지 늘어날 수 있는 높은 신축성도 지닌다. 또한, 이 나노박막 전극에는 ‘자외선 포토리소그래피’ 등으로 고해상도 패터닝이 가능해, 원하는 형태의 전극을 제조할 수 있어 웨어러블 전자소자로서의 최적의 조건을 갖췄다.

 

연구 이야기

 

 

□ 연구배경

 

 웨어러블 디바이스는 생체의료기기, 인간-컴퓨터 인터페이스 그리고 증강현실과 같이 다양한 용도로 사용하기 위해 개발되고 있다. 피부는 부드러우며 늘어날 수 있는 물리적 성질을 가지고 있기 때문에, 그 위에 올리는 전자기기 역시 그러한 물성을 가지고 있어야 한다. 이러한 전자기기를 만들기 위해서는 전자기기를 구성하는 가장 기본적인 요소 중 하나인 전극 역시 늘어날 수 있어야 하며, 늘어나는 과정에서 전기 전도성을 유지해야 한다.

 즉, 신축성 전극은 높은 전기전도도, 높은 신축성, 얇은 두께와 같은 특성을 모두 가지면서도 활용성을 위해 고해상도 패터닝이 가능해야 한다. 하지만 전기전도도와 신축성은 서로 상충되는 특성을 가지고 있어 두 특성을 모두 만족하는 신축성 전극을 개발하는 것은 불가능으로 여겨졌다. 그리고 얇은 두께나 고해상도 패터닝 역시 기존의 방법으로 개발된 신축성 전극으로는 달성하기 어려웠던 목표다. 본 연구에서는 이와 같은 특성을 모두 지닌 신축성 전극을 개발하기 위해 연구를 시작했다.

 

 

□ 연구내용

 

 IBS 나노입자 연구단은 ‘수상 정렬 방법’이란 새로운 방법을 개발했다. 물의 표면에 표면장력이 더 작은 다른 액체를 떨어뜨리면 국소적으로 표면장력이 낮아진다. 이때 생긴 표면장력의 차이는 떨어뜨린 액체가 물의 표면을 따라 얇게 퍼져나가도록 한다. 이를 ‘마랑고니 흐름’이라고 한다. 

 마랑고니 흐름은 수상에서 나노재료가 단일층에서 조밀하게 정렬하도록 하고, 아주 얇은 고무/용매 막이 만들어질 수 있도록 한다. 이후, 용매가 증발하고 나면, 얇은 고무막이 남으면서 단일층의 조밀한 나노재료가 매우 얇은 고무박막에 부분적으로 박혀 있는 특이한 구조의 나노박막 전극이 남게 된다.

 이러한 구조의 장점은 높은 열없이 상온에서 인접한 나노재료를 부착하는 상온용접과 층층이 쌓아올리는 적층 공정이 가능하다는 점이다. 상온용접은 인접한 나노재료 간의 접촉 질을 확연히 개선하며, 적층공정은 나노재료 간의 접촉 수를 획기적으로 증가시켜 전극의 성능을 극대화한다.

 연구진이 제작한 나노박막 전극은 10만S/cm 정도의 금속과 유사한 정도의 전기전도도를 가지며, 처음 길이의 10배까지 늘여도 전기전도성을 유지할 수 있다. 또, 연구진은 자외선 포토리소그래피를 이용해 원하는 모양으로 나노재료에 선폭 20㎛의 고해상도 패터닝을 진행하는 데도 성공했다. 자외선 포토리소그래피는 대량 생산에 적합하여 실제 반도체 공정에서 사용되고 있는 방식이다.

 

□ 기대효과

 

 이번 연구는 수상정렬방법을 새롭게 개발하여 기존의 방법으로 제작된 신축성 전극이 구현할 수 없었던 나노두께, 금속과 유사한 전도도, 우수한 신축성을 모두 지닌 고성능 신축성 나노박막 전극을 개발하는데 성공하였다. 수상정렬방법은 다양한 물질에 적용이 가능하기 때문에 금속나노재료와 고무를 이용하여 만드는 고성능 신축성 나노박막 전극뿐만 아니라 다양한 반도체, 자성체등의 나노재료와 고분자를  이용한 신축성 박막 재료를 만드는 데에 활용될 수 있다.

  금속 나노재료와 고무를 통하여 만든 고성능 신축성 나노박막 전극은 그 전기적인 성능이 뛰어날 뿐 아니라 얇은 두께를 가지고 있으며 고해상도의 패터닝이 가능하다. 따라서 웨어러블 디바이스에 사용하기에 매우 적합하다. 개발된 나노박막 전극이 다양한 웨어러블 디바이스의 개발에 핵심 부품으로서 주요한 역할을 하리라 기대한다.

 

 

 

 

 용 어 설 명

 

 

1. 사이언스 (Science) 誌

   ○ 과학 및 공학 분야 세계최고 권위 학술지(Impact Factor : 47.728)

 

2. 마랑고니 흐름(Marangoni flows)

   ○ 계면을 따라 표면 장력의 크기가 일정하지 않을 때 표면장력이 낮은 곳에서 높은 곳으로 유체가 이동하는 현상을 말한다. 잔에 담긴 와인을 흔들고 나면, 잔에 뭍은 와인이 눈물처럼 아래로 흐르는 ‘와인의 눈물’이 대표적인 마랑고니 효과이다.

 

3. 자외선 포토리소그래피 (UV photolithography)

   ○ 빛에 반응하는 고분자를 이용하여 미세한 모양을 만드는 방법. 대량 생산에 적합하고 미세한 선폭 패터닝이 용이하여 실제 반도체 공정에서 사용되고 있다.

 

 

 

 

그림 설명

 

 

 

[그림 1] 마랑고니 효과를 이용하여 신축성 전극을 제작하는 과정

 은 나노선과 고무, 에탄올 등이 섞여 있는 용액을 물 표면에 뿌려 물 표면 위에 매우 얇은 형태의 늘어나는 전극을 제작하였다. 마랑고니 효과에 의해 용액이 물 표면을 따라 움직이며 나노 선들이 한 방향으로 정렬을 하게 된다(A, B). 용액을 빼곡이 넣은 뒤, 수조 중앙에 계면활성제를 넣으면 수조 가장자리 쪽으로 나노선들이 밀리며 더 조밀한 상태가 된다(C-E). 이후, 용매가 증발하며 얇은 고무막이 남게 되면서 나노박막 전극이 만들어진다(F). 

 

 

[그림 2] 신축성 나노박막 전극의 제조 과정

 물이 담긴 수조의 중앙에 전도성 나노재료, 고무, 에탄올 혼합용액을 떨어뜨리며 나노박막 전극을 제조하고 있는 모습(A). 혼합액의 주입이 끝난 뒤, 수조의 중앙에 계면활성제를 소량 떨어뜨리면 나노재료들이 수조 가장자리 쪽으로 밀리며, 더 조밀한 나노박막 전극을 제조할 수 있다(B).

 

 

[그림 3] ‘수상 정렬 방법’으로 제조한 전극을 늘리는 모습

 연구진이 제작한 신축성 전극은 원래 길이의 10배까지 늘려도 전기전도성이 유지된다. 그림은 500% 까지 전극을 늘려본 모습. 전도성 나노재료(나노선)는 고무에 안정적으로 고정되어 있다.

 

 

 

[그림 4] 개발한 나노박막 전극을 이용해 제작한 다기능 웨어러블 디바이스

 연구진은 개발한 고신축성 고성능 나노박막 전극을 이용해 피부에 부착하여 습도, 인장 변형, 온도 등 다양한 자극을 동시에 모니터링 할 수 있는 다기능성 전자기기를 제작했다.

 

  연구자 이력사항

 

<김대형 IBS 나노입자 연구단 부연구단장 및 서울대학교 교수>

[공동 교신저자]

 

1. 인적사항

 ○ 소  속 : 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 

            서울대학교 화학생물공학부 교수

 

 

 

 

 

2. 경력사항

 ○ 2002 – 2006 ㈜ 케이씨텍 선임 연구원

 ○ 2009 – 2011 일리노이주립대학 박사 후 연구원

 ○ 2009 – 2011 펜실베니아주립대학 방문 연구원

 ○ 2011 – 2015 서울대학교 화학생물공학부 조교수

 ○ 2015 – 2020 서울대학교 화학생물공학부 부교수

 ○ 2020 – 현재 서울대학교 화학생물공학부 교수

 ○ 2017 – 현재 기초과학연구원 나노입자연구단 부단장

3. 전문 분야 정보 

 ○ 2011 세상을 바꿀 젊은 과학자 TR35 선정 (MIT Technology Review)

 ○ 2013 대한민국 미래 100대 기술과 주역 (한국공학한림원)

 ○ 2015 제6회 홍진기 창조인상 (유민문화재단) 

 ○ 2017 한국과학기술한림원 젊은 과학자상

 

 

 

<현택환 단장, IBS 나노입자 연구단 단장 및 서울대학교 석좌교수>

 [공동 교신저자] 

 

1. 인적사항

 ○ 소  속 : 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 

             서울대학교 석좌교수 화학생물공학부 

 

 

 

 

 

 

2. 경력사항

 ○ 1989 – 1990 포항공대 화학과 조교

 ○ 1990 – 1991 서울대학교 화학과 조교

 ○ 1996 – 1997 Post Doctoral, Northwestern University

 ○ 1997 – 현재 서울대학교 공과대학 화학생물공학부 교수, 부교수, 조교수

 ○ 2002 – 2011 과학기술부 창의적연구진흥사업 산화물 나노결정 연구단장

 ○ 2010 – 현재 미국화학회지(JACS) 부편집장

 ○ 2011 – 현재 서울대학교 석좌교수 (2011-2013 중견석좌교수)

 ○ 2012 – 현재 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 단장 

 ○ 2013 – 현재 미국재료연구학회(MRS) 석학회원(Fellow)

 

3. 전문 분야 정보 

○ 2020 Nobel Prize watchlist로 알려진 Citation Laureate 선정

○ 2016 대한민국 최고과학기술인상 (대통령상)

○ 2012 호암공학상

○ 2016 국제진공과학기술연합 IUVSTA 기술상  

○ 2008 POSCO 청암과학상

○ 2011 세계 100대 화학자선정 (UNESCO&IUPAC 화학 37위, 재료과학 19위)

 

<정동준 IBS 나노입자 연구단 연구원, 공동 제1저자>

 

1. 인적사항

 ○ 소  속 : 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 

             서울대학교 화학생물공학부

 

 

 

 

 

 

<임채홍 IBS 나노입자 연구단 연구원, 공동 제1저자>

 

1. 인적사항

 ○ 소  속 : 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 

             서울대학교 화학생물공학부

 

 

 

 

 

 

<심형준 IBS 나노입자 연구단 연구원, 공동 제1저자>

 

1. 인적사항

 ○ 소  속 : 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 

             서울대학교 화학생물공학부