피부에 붙여도 티 나지 않는 ‘투명한 전자피부(Electronic Tattoo)’를 만들 길이 열렸다. 전자피부는 사람 피부 등에 스티커처럼 붙여 디스플레이, 생체신호 측정 등에 활용할 수 있는 초소형 전자회로다.

UNIST(총장 조무제) 박장웅 교수(신소재공학부), KAIST 배병수 교수, ETRI(한국전자통신연구원) 추혜용 단장으로 꾸려진 공동연구팀은 반으로 접거나 잡아당겨도 전기적 특성이 유지되는 고성능 ‘그래핀 투명전극’ 제조 기술을 개발했다. 이 전극을 이용해 피부나 유리, 나뭇잎 등에 쉽게 붙일 수 있는 투명 전자회로도 구현했다.

이번 연구 결과의 가장 큰 특징은 그래핀 복합체를 이용해 투명전극의 저항을 기존보다 20배 이상 낮췄다는 점이다. 이로써 휘어지는 디스플레이나 회로, 센서 등으로 활용할 수 있는 전자피부도 구현할 수 있었다.박장웅 교수는 “기존에도 전자피부나 전자타투 등의 연구가 이뤄졌지만, 회로나 패턴들이 그대로 보이는 문제가 있었다”며 “이번 연구로 구현한 전자피부는 모든 물질을 투명하게 만들었기 때문에 어디에 부착해도 보이지 않아 실용적으로 사용가능할 것”이라고 말했다.이번 연구에서 박 교수팀은 그래핀을 금속섬유와 결합해 기존 그래핀 투명전극이 가지는 문제점을 해결했다. 투명전극으로서 ‘저항값이 높다’는 그래핀의 한계를 극복한 것이다. 수 미터까지 길게 늘인 금속섬유는 연결저항을 줄였고, 그래핀 복합체를 통해 전자들이 잘 이동할 수 있어 저항값도 매우 낮아졌다. 그래핀 복합체 제작은 기존 디스플레이？반도체 공정을 그대로 적용했으므로 전극 패턴을 쉽게 만들 수 있다는 장점도 있다.

이번에 개발한 그래핀 투명전극은 기존보다 저항값이 250배가량 낮았다. 투명전극으로 대두되고 있는 금속 나노와이어와 비교해도 20배 이상 저항값이 낮은 우수한 전기적 특성(1Ω/sq)을 보였다. 공기 중에 장시간 노출하거나 열을 가해도 산화되지 않았고 유연성과 신축성도 우수했다.

이 내용은 나노 분야 세계 최고 권위지인 나노 레터스(Nano Letters) 10월 20일자 온라인 판에 게재됐다.

^*논문명 : Stretchable and Transparent Electrodes using Hybrid Structures of Graphene-Metal Nanotrough Networks with High Performances and Ultimate Uniformity

[붙임] 연구결과 개요, 용어설명

연구결과 개요

연구배경

최근 전자산업이 디지털 네트워크로 급격하게 진입하면서 사용자들의 수요가 다양해지고 있다. 이는 초경량, 저전력, 저가격, 휴대성, 고기능성 등의 특징을 가진 전자소자의 필요성으로 귀결된다. 이런 가운데 유연하고(flexible) 신축성 있는(stretchable) 전자소자가 대표적인 기술로 대두되고 있다. 이를 실현하기 위해 기존 무기물 소재를 대체할 다양한 소재들에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히 디스플레이, 터치스크린, 태양전지 등 다양한 분야에 적용되고 있는 ITO(Indium tin oxide, 인듐 주석 산화물) 기반의 투명전극은 휘어지거나 늘어날 수 없기 때문에 유연성 전자소자에 적용하는 데 한계가 있다. 게다가 인듐은 광석 1톤당 0.05g 정도만 존재할 정도로 희귀하다. 이를 대체할 소재로 우수한 전기적 특성을 가지는 그래핀이 대두됐으나 대면적 합성에서 발생하는 결함으로 인해 저항을 낮추는 데 어려움이 있다. 본 연구에서는 결함 때문에 발생하는 그래핀의 전기적 특성 저하를 금속 나노와이어로 보상하고, 실제로 유연하고 신축성 있는 소자를 구현해 차세대 투명전극으로서의 가능성을 확인했다.

연구내용

화학기상증착법(chemical vapor deposition method)을 통해 합성된 그래핀은 다결정 구조를 지니고 있으며 각종 결함으로 인해 순수한 그래핀이 가지는 우수한 전기적 특성을 달성하지 못하는 한계를 지니고 있다. 그래핀과 더불어 ITO를 대체할 소재로 각광받고 있는 금속 나노와이어의 경우 나노와이어 간의 접촉 저항이 커서 어느 수준 이하의 작은 면저항값을 가지기 힘들다. 본 연구에는 전기방사 방법과 진공 증착 방법을 사용한 수 미터 이상의 긴 금속섬유 전극을 통해 접촉 저항을 줄였다. 또한 화학기상증착법으로 합성된 그래핀을 금속섬유 전극 위에 전사(transfer)해 플라스틱 기판과의 접착력도 높인 하이브리드 투명전극을 제작했다. 각 소재가 가지는 물성적 한계를 상호보완해 우수한 전기적․광학적 특성을 지닌 ‘유연하고 신축성 있는 투명전극’을 가능하게 만든 것이다. 제작된 투명전극은 91%의 투과도와 함께 1Ω/sq의 낮은 면저항을 보였으며, 이는 기존의 투명 전극인 ITO가 가지는 90% 투과도와 ~20Ω/sq의 면저항에 비해 우수하다. 이와 더불어 반으로 접거나 1.5배 길이로 잡아당긴 상태에서도 우수한 전기적 특성을 유지했다. 이렇게 제작된 투명전극을 이용해 유연하고 신축성 있는 투명한 전자피부를 구현했으며, 전자피부 위에 투명한 전자회로와 센서 등을 만들어 여러 디바이스로서 응용 가능성도 확인했다.

기대효과

휘어지거나 늘어날 수 있는 고성능 투명전극의 개발은 영화 ‘토탈리콜’ 또는 ‘미션 임파서블’에 나오는 미래형 투명 디스플레이와 같은 차세대 디스플레이의 요소기술이다. 이런 투명전극은 기존 평판 디스플레이가 가지는 공간적 제약을 극복하고 자유도를 향상시켜 IT기기에 대한 사용자의 수요를 충족시킬 수 있는 핵심기술이기도 하다. 더불어 디스플레이가 주가 되는 전자산업에서, 패러다임의 변화에 따른 글로벌 기업의 몰락과 약진에서 알 수 있듯이, 트렌드를 이끌기 위한 발 빠른 기술개발로 차세대 디스플레이 시장을 선점할 것으로 예상된다.

용어설명

1. Nano Letters

ACS(American Chemical Society)에서 2001년 창간한 과학 전문잡지로서, 2014년 현재 인용지수 12.940으로 나노분야 최고 권위지이다.

2. 그래핀

탄소(C) 원자가 육각형의 그물 모양으로 배열된 구조가 연속적으로 이어진 화합물이다. 높은 전기전도성과 전하 이동도를 갖고 있어 향후 응용 가능성이 높아 꿈의 신소재로 불린다.

3. 금속 섬유

전기방사 방법으로 만들어진 전도체 섬유이다. 지름이 수백 나노미터~ 수 마이크로미터이고, 길이가 수 미터에 이를 정도로 길다. 기판에 그물형태로 전사되면 전체적으로 낮은 저항을 가지는 전극을 만들 수 있다.

4. 전기방사 방법

전기방사 방법은 고전압을 이용해 고분자나 고점도의 물질을 아주 얇은 섬유(수백 나노~수 마이크로미터)를 만들어 내는 방법이다. 형성된 섬유는 끊어지지 않고 처음부터 끝까지 연결되어 있어 전도체를 만들 경우 낮은 저항값을 얻을 수 있다.

5. 면저항값

얇은 막(박막)의 저항값을 나타내는 지표로서, 박막의 단위 두께 당 비저항으로 나타낸다. 측정하는 박막의 가로, 세로 길이가 동일한 경우 박막 두께에 따른 저항률(resistivity)로 볼 수 있으며, 박막의 넓이와 관계없이 면저항값은 일정하다.

^*나노미터(nm): 10억 분의 1미터, 1nm=10-9 m

^*마이크로미터(µm): 100만 분의 1미터, 1µm=10−6