어디든 붙이고 잡아당길 수 있는 투명 히터(heater)

손등이나 옷감 등에 붙여서 열을 낼 수 있는 ‘투명 히터(heater)’가 개발됐다. 쉽게 녹슬지 않는 ‘메탈릭 글래스’라는 신소재를 이용해 고성능 투명전극을 제작한 결과물이다. 특히 이 투명전극은 10초 만에 대면적으로 연속적으로 생산할 수 있어 산업적으로도 크게 주목받고 있다.

신소재공학부의 박장웅-김주영 교수 공동 연구팀은 메탈릭 글래스를 기반으로 한 투명전극을, 10초 만에 대면적으로 생산할 수 있는 기술을 개발했다. 새 투명전극은 신축성과 내열성이 비약적으로 향상된 데다 빠른 속도로 대면적 제작이 가능하다는 게 특징이다.

박장웅 교수는 “투명전극을 빠르게 대면적으로 제작하는 기술이라 산업적 가치도 높다”며 “공정 단가도 매우 낮은 편이라 산업 현장에서 적용하기에 큰 장점을 가지고 있다”고 설명했다.

메탈릭 글래스 기반으로 만들어진 투명전극을 이용해 유연하고 신축성 좋은 피부 부착형 투명 히터(heater)를 개발했다. 70%까지 잡아당겨도 온도가 변하지 않고 그대로 유지되는 것을 볼 수 있다.

연구진은 합금의 일종인 메탈릭 글래스를 이용해 투명전극을 구현했다. 이 물질은 일반 금속보다 신축성이 좋고 쉽게 녹슬지 않아 내산화성, 내부식성이 우수하다. 게다가 전기 전도도가 매우 높아, 기존 투명전극(ITO)보다 저항이 10배나 적다. 유연하고 신축성 있는 고성능 투명전극으로 적합하다.

이번 연구에 제1저자로 참여한 안병완 신소재공학부 석·박사통합과정 연구원은 “메탈릭 글래스를 일차원 전도체 섬유로 뽑은 다음 그물 구조로 만들어 투명하게 만들었다”며 “이렇게 만들어진 메탈릭 글래스 기반 투명전극은 유연성, 신축성, 우수한 전기적 특성을 갖춘 것은 물론 내산화성 및 내부식성도 극대화됐다”고 말했다.

메탈릭 글래스 기반 투명전극은 공기 중에 장시간 노출하거나 열을 가해도 산화되거나 녹슬지 않는 고성능을 보였다. 또한 유연성과 신축성이 매우 우수해 반으로 접거나 잡아당겨도 전기적 특성이 저하되지 않았다.

▲롤 투 롤(Roll to Roll) 기법을 이용해 드럼을 돌리면서 대면적으로 투명전극을 연속해 생산하는 장면이다.

특히 이번 기술은 투명전극을 빠르게 대면적으로 만들 수 있다는 점에서 주목받았다. 이 비결은 ‘롤 투 롤(Roll-to-Roll)’ 방식인데, 회로를 만들 때 얇은 필름을 롤에 그대로 감아 가공하는 것이다. 이 방식을 쓰면 10초 만에 대면적 투명전극을 제작할 수 있는데다 공정 단가도 크게 낮출 수 있다.

연구진은 이 기술을 이용해 투명하고 자유롭게 변형되는, 부착형 ‘히터(heater)’와 위험 물질을 감지할 수 있는 ‘가스 센서’를 구현하는 데도 성공했다. 둘 모두 투명하다는 특성 덕분에 어디에나 붙여 활용할 수 있다. 히터는 피부나 옷감 등에 붙여 겨울철 보온용으로 이용 가능하다. 가스 센서는 손가락 끝 등에 부착해 위험 가스를 감지하는 데 쓸 수 있다.

공동 제1저자로 이번 연구를 진행한 곽은지 석·박사통합과정 연구원은 “이번에 개발된 투명전극을 다양한 전자소자에 적용할 수 있다”며 “공정 과정에서 효율성을 높인데다 투명전극의 성능까지 높인 만큼 응용분야가 넓어질 것”이라고 전했다.

김주영 교수는 “이번 연구로 메탈릭 글래스라는 물질을 사용하는 새로운 길을 제시했다”며 “투명전극의 다양한 성능들이 향상된 만큼 더 많은 웨어러블 소자에 접목하는 것도 가능할 것”이라고 내다봤다.

이 내용은 나노 분야 세계 최고 권위지인 나노 레터스(Nano Letters) 15일자 온라인 판에 게재됐다.