보도자료

2023. 12. 7 (목) 부터 보도해 주시기 바랍니다.

다 사용한 전자기기 재활용해 다른 전자기기 만든다

UNIST 심교승 교수팀, 재활용 가능한 웨어러블 전자기기 개발
경제적·친환경적이며 지속 가능해… Nature Electronics 게재

다 사용한 전자기기를 재활용해 다른 전자기기로 만들 수 있는 방법이 개발됐다. 환경 문제 해결과 지속 가능한 미래형 전자기기 산업에 새로운 방향을 제시할 것으로 기대된다.

UNIST (총장 이용훈) 화학과 심교승 교수팀은 모든 소재를 회수하고 재활용할 수 있는 유기물 기반의 유연한 전자 소자와 웨어러블 기기를 개발했다. 개발된 전자 소자들은 제작부터 재활용에 이르기까지 친환경적이며 경제적인 공정을 도입해 그 효율을 높였다.

최근 유기 전자소재를 활용한 웨어러블 전자기기의 활발한 연구 및 기술개발이 진행 중이다. 그에 따라 다양한 유기 전자 폐기물이 늘어나고 있다. 지금까지의 재활용 기술은 LCD 기판에 쓰이는 유리나 전극으로 이용되는 금속과 같은 무기물 소재에만 치중되고 있다.

심교승 교수는 “인체에 무해한 용매로 친환경적이고 경제적인 공정을 활용했다”며 “무기물이 아닌 재활용이 가능한 유기물기반 전자재료만 선별해 유연성 있는 웨어러블 전자기기를 만들었다”고 덧붙였다.

연구팀은 드랍 캐스팅(drop casting)을 활용해 물질 낭비를 최소화하고 다양한 수동소자와 능동소자를 제작했다. 드랍 캐스팅은 용액을 기판 위에 떨어트린 다음 열처리를 통해 막을 형성하는 방법이다.

제작된 유기 전자소재인 유기 전도체, 절연겔, 반도체 등의 재활용성을 평가했다. 유기 전도체의 경우 5번 이상 재활용이 가능했으며, 유기 절연겔의 경우 30번 이상의 재사용, 유기 반도체는 1번 정도 재활용 가능한 것으로 확인됐다.

연구팀은 개발된 재활용이 가능한 유연 전자기기를 바탕으로, 전자 소자들 간에 ‘폐쇄-루프 재활용’을 선보였다. 패쇄-루프 재활용은 제작된 전자기기가 수명이 다하면 그 소재를 재활용해 다른 전자기기로 재구성하는 방식이다. 연구팀은 소재의 선택적 용해를 기반한 재활용 방법을 이용해 물질적 손실 없이 본래의 소자 특성을 완벽하게 이끌어냈다.

심교승 교수는 “이번 연구는 그동안 간과했던 유기 전자재료를 활용한 전자 산업 발달 과정에서 발생하는 환경 문제의 해결방안을 최초로 제시했다”며 “이번 연구 성과는 지속 가능한 미래형 전자기기 산업을 위한 새로운 방향을 제시하는 선도적 결과이자 핵심 기술이 될 것으로 기대한다”라고 말했다.

박해찬 UNIST 석박통합과정 대학원생이 1저자로 참여한 이번 연구는 세계 최고 권위 국제 학술지 중 하나인 네이처 일렉트로닉스 (Nature Electronics) 12월 6일에 온라인 게재됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단 및 울산과학기술원의 지원을 받아 이뤄졌다.

(논문명: Organic flexible electronics with closed-loop recycling for sustainable wearable technology)

자료문의

대외협력팀: 서진혁 팀장, 우종민 담당 (052)217-1232

화학과: 심교승 교수 (052)217-2221

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

웨어러블 전자기기의 수요 증가와 미래 시장에서의 가치에 따라 다양한 웨어러블 전자기기들이 기업 및 국가 차원에서 활발하게 연구되고 있다. 이러한 수요의 증가와 급격한 발전은 전자 폐기물의 발생을 심화할 것이 자명하다. 최근, 이에 맞춰 웨어러블 전자기기로부터 발생하는 폐기물 감소를 위해 재활용이 가능한 웨어러블 전자기기에 대한 연구가 소수 보고되었으나 대부분 금속 및 무기물의 재활용, 기판 등의 부분적 재활용에 국한됐다. 따라서, 전례 없는 유기 전자 폐기물의 발생을 사전에 방지하고, 더하여 유기 전자소재의 합성 과정에서 쓰이는 각종 독성 및 고비용 물질을 줄이고자 모든 구성 소재들이 재활용 가능한 유기 웨어러블 전자기기를 개발하고자 했다.

2. 연구내용

연구팀은 우선 유연성 유기 전자소재인 유기 기판, 반도체, 전도체, 절연체 등의 재활용성을 평가했다. 사용된 소재 중 유기 전도체의 경우 5번 이상의 재활용성을 가지며, 유기 절연겔의 경우 30번 이상의 재사용성, 유기 반도체의 경우 1번 이상의 재활용성을 가짐을 확인했다.

이후, 드랍 캐스팅 공정을 통해 물질의 낭비를 최소화하여 다양한 수동소자 및 능동소자를 제작했다. 제작한 수동 소자의 경우 5번의 재활용에도 처음의 특성과 유사한 특성을 보였고, 능동소자의 경우 1번의 재활용 이후 처음의 특성만큼은 아니지만, 그에 비견할 만한 특성을 보였다. 제작한 소자의 종류는 아래와 같다.

수동소자: 심전도/근전도 전극, 키패드, 히터/온도센서

능동소자: 트랜지스터, 인버터

최종적으로, 제작한 재활용 가능한 유연성 웨어러블 유기 잔저소자의 폐쇄-루프 재활용성을 선보였다. 폐쇄-루프 재활용은 소재의 선택적 용해 방법을 통해 이루어졌다. 처음 제작한 전자소자의 특성 평가 후 소재를 재활용해 다른 전자소자들로 3번 이상 재구성했으며, 재활용된 모든 전자소자가 좋은 특성을 나타냈다.

3. 기대효과

연구팀은 세계 최초로 모든 전자소재가 재활용 가능한 유기물 기반의 유연성 전자기기를 선보였다. 이를 통해 인공 피부, 헬스케어, 피부 부착형 차세대 전자기기 등의 분야에서 다양한 지속 가능한 웨어러블 전자기기를 개발할 수 있는 기반을 다졌다. 또한, 지속 가능한 미래를 위한 재활용 가능한 전자기기 개발에 대해 새로운 방향성을 제시했다.

[붙임] 용어설명

1. 수동소자 (passive element)

수동소자는 공급된 전력을 단순 소모, 저장, 전달하는 소자로, 저항, 콘덴서, 각종 센서, 인덕터 등이 여기에 해당된다.

2. 능동소자 (active element)

능동소자는 수동소자와 반대의 개념으로 수동소자가 하지 못하는 증폭, 발진, 정류 등의 기능을 수행한다. 트랜지스터, 논리 회로, 증폭기 등이 여기에 해당된다.

3. 트랜지스터 (transistor)

전기 신호를 증폭하거나 스위치 기능을 하는 반도체 소자이다. 해당 논문에는 두 가지 타입의 트랜지스터를 소개하였는데, 하나는 a-트랜지스터 (accumulation mode; 누적 모드), 하나는 d-트랜지스터 (depletion mode; 소진 모드)이다.

a-트랜지스터의 경우, 기본적으로 채널의 전도성이 낮으며, 적절한 게이트 전압을 통해 채널에 전하 운반자가 쌓이며 동작이 조절된다.

d-트랜지스터의 경우, 반대로 기본적인 채널의 전도성이 높으며, 게이트 전압에 의해 채널이 도핑 (doping), 디도핑(de-doping)되며 동작이 조절된다.

4. 논리 회로 (Logic gate)

논리 회로는 디지털 회로의 가장 기본적인 요소이다. 특정 논리적 입력 값에 대해 논리 연산을 수행하여 하나의 대응하는 논리적 출력 값을 얻을 수 있는 전자 회로이다.

[붙임] 그림설명

그림1. 재활용 가능한 유기물 기반의 유연성 전자기기 및 재활용 과정

재활용 가능한 유기물 기반의 유연성 전자기기의 이미지 및 제작, 재활용 과정에 대한 모식도이며, 각 과정에서 전자소재 (물질)의 재사용·재획득을 통해 제작, 재활용 과정이 이루어진다.

그림2. 재활용 가능한 유기물 기반의 유연성 전자기기의 폐쇄-루프 재활용을 통한 지속 가능한 전자기기 순환

전자소자의 전자소재(물질) 재활용 후, 재구성을 통해 새로운 전자소자를 만드는 지속 가능한 전자기기 순환에 대한 모식도이다. 인버터를 시작으로, d-트랜지스터, 온도센서, 히터 순으로 재구성이 이루어졌다.

그림3. 폐쇄-루프 재활용된 전자소자들의 특성

폐쇄-루프 재활용 후 각 전자소자의 대표적인 특성을 평가한 그래프이다. 화살표 순서대로 재구성이 이루어졌으며, 인버터는 순수한 소재들로 만들어졌다.

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