[붙임] 연구결과 개요

연구배경

최근 들어 얇고 쉽게 휘어지는 박막형 유연 센서(Flexible sensor)에 대한 관심이 높아지고 있다. 이에 따라 미세한 압력이나 온도, 화학물질, 전기신호 등을 실시간으로 감지할 수 있는 유연 센서에 대한 개발도 활발하다. 특히 이런 센서를 이용한 스마트 유연 디바이스뿐 아니라 피부나 장기 등에 직접 부착해 생체신호를 읽는 실시간 진단 기술도 주목을 받고 있다.

하지만 디스플레이, 터치스크린, 태양전지 등 다양한 분야에 적용되고 있는 ITO(Indium tin oxide, 인듐 주석 산화물) 기반의 투명전극은 휘어지거나 늘어날 수 없어 유연성 전자 소자로 적용하는 데 한계가 있다. 이를 대체하기 위해 그래핀(graphene), 탄소 나노튜브(carbon nanotube), 나노와이어(nanowire) 등의 재료가 활발하게 개발되고 있다. 또 이런 재료들을 이용해 다기능 센서를 만들기 위한 연구도 다양하게 이뤄지고 있다.

본 연구에서는 그래핀-금속 나노와이어를 결합해 실제로 유연하고 신축성 있는 소자를 구현해 차세대 웨어러블 전자 소자 연구방향을 제시했다.

연구내용

화학기상증착법(chemical vapor deposition method)을 통해 합성된 그래핀은 다결정 구조를 지니고 있다. 이는 각종 결함이 있어 순수한 그래핀이 가지는 우수한 전기적 특성을 달성하지 못한다. 이 한계를 극복하기 위해 본 연구에서는 그래핀과 더불어 ITO를 대체할 소재로 각광받고 있는 금속 나노와이어를 사용해 하이브리드 구조를 만들었다. 각 소재가 가지는 한계를 상호보완해 우수한 전기적․광학적 특성을 지닌 투명 전극을 만든 것이다. 또 이 소재를 이용해 투명하고 신축성을 가지는 소자를 만들었다. 제작된 소자는 반으로 접거나 2배 길이로 잡아당긴 상태에서도 우수한 전기적 특성을 보였다.

 이와 더불어 합성된 그래핀을 전극과 채널에 모두 사용함으로써 접촉 저항을 줄여 소자의 특성을 향상시켰다. 이렇게 제작된 투명 소자를 활용해 단백질 등의 바이오 물질을 감지할 수 있는 투명한 웨어러블 무선 스마트 센서를 구현했다. 피부 위에서 무선 센서의 동작 특성을 분석한 결과, 웨어러블 디바이스로 응용 가능성도 확인했다.

기대 효과

본 연구에서 제작된 센서는 사람의 피부에 부착해도 보이지 않으며 단백질 같은 생체물질을 무선으로 감지할 수 있다. 따라서 인간의 생체 활동을 감지할 수 있는 바이오 센서로 발전시킬 수 있으며, 차세대 웨어러블 전자소자의 구성 요소로도 적합하다. 

[붙임] 용어 설명

1. 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)

독일의 Wiley-VCH사에서 창간한 과학 학술지로서, 2015년 현재 인용지수(Impact factor) 15.409으로 신소재 분야 최고 권위지이다. 

2. 그래핀

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

3. 금속 나노와이어

나노미터(㎚, 1㎚=10억 분의 1m, 1㎚=10^-9 m)에서 수십 나노미터의 지름을 가지며 길이는 수십 나노미터부터 수십 마이크로미터(㎛, 1㎛=100만 분의 1m, 1㎛=10⁻⁶m)까지 다양한 금속선이다.  

4. 안테나

  특정 영역의 주파수대의 전기 신호를 전자기파로 바꾸거나 그 반대로 전자기파를 전기 신호로 바꾸는 역할을 한다. 이번 연구에서는 무선으로 전력 및 신호를 전달하는데 쓰였다.

5. 접촉 저항

두 개의 물체가 접했을 때 접촉면의 전기 저항 값이다.

[붙임] 그림 설명