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세계 최고 성능의 고신축 전극 개발

하이드로겔-고무 복합소재와 은(Ag) 전극 결합, 최대 18.8배 늘어나도 작동
향후 전자 피부(e-skin), 부착형 의료기기 등 웨어러블 기기와 소프트 로봇 분야 활용 기대

       
다가오는 4차 산업혁명시대에는 구부리거나 늘릴 수 있는 전자기기들이 쏟아져 나올 것으로 예상하고 있다. 이러한 차세대 웨어러블 전자장치의 기반이 될 전자피부(e-skin)는 피부에 부착되어 사용되기 때문에 유연성과 부착성, 착용감이 매우 중요하다. 이것을 구현하기 위한 가장 핵심적인 기술로 변형이 자유자재로 가능한 유연성 전극(전도체)의 개발에 관심이 모아지고 있다. 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원 복합소재기술연구소(분원장 홍재민) 홍재민 박사팀은 하이드로겔-고무 복합소재와 은(Ag) 전극을 결합하여 고신축 전극을 개발하였다고 밝혔다. 최대 18.8배까지 늘어나도 성능을 유지하는 이 전극은 세계 최고 성능을 기록하여 복합소재 연구계의 주목을 받고 있다.

유연성 전극은 변형됨에 따라 전기적 특성을 얼마나 유지하느냐가 중요한 관건이며, 이러한 전기적 특성에 유리한 금속 물질을 유연하게 만들기 위한 연구가 많이 보고되고 있다. 유연소자의 기본 핵심인 유연전극을 만드는 방법 중에서 프린팅 기법은 비용적인 측면에서 각광받는 기술이다. 프린팅 기법에 사용되는 잉크는 유연 전극을 형성하여 늘어나게 되어도 성능을 유지해야 하므로, 금속 마이크로 입자에 잘 늘어나는 고분자를 섞어서 잉크 형태로 만든다. 또한, 전기 전도성을 유지하기 위해 은(Ag), 금(Au) 같은 금속물질을 이용한 복합체를 함께 사용하게 된다.

일반적으로 프린팅이 가능한 유연성 전극들은 PDMS(polydimethylsiloxane)와 같은 실리콘 계열의 신축성 고무 기반 위에서 만들어진다. 그러나 이러한 경우, 피부나 여러 인체 조직들보다는 변형률이 낮아 착용감이 좋지 않은 단점을 가지고 있었다.
* PDMS : 실리콘 계열의 신축성 고무

연구진은 변형률이 높으면서 피부와 유사한 질감을 가지는 하이드로겔 소재에 주목했다. 그러나 기존의 일반적인 방식으로는 하이드로겔 위에 은(Ag)과 같은 금속기반의 물질을 프린팅하는 것이 불가능하기 때문에 하이드로겔**위에 고무를 얇게 코팅하여 은(Ag) 잉크를 결합하는 방법을 개발하였다. 표면처리 기법을 이용하여 고무(ECOFLEX)를 머리카락 두께의 반 정도인 30 μm(마이크로미터, 십만분의 1 (100000/1)cm)의 두께로 만든 하이드로겔-고무 복합체 위에 프린팅 기술을 적용하여 고신축 전극을 제작하였다.
**하이드로겔 : 일반적으로 기저귀, 콘택트렌즈, 의료용 전극에 많이 쓰이고, 특수한 용도로는 성형재료나 토양 수분 저장용, 화상 상처용 붕대류에 쓰임

이번에 개발된 고신축 전극은 사용자가 원하는 패턴으로 프린팅 할 수 있기 때문에 대면적 회로형성에도 유리한 점이 있으며, 기존과 다르게 변형률이 매우 높은 고신축 기판 위에 만들어졌기 때문에 인체에 부착하는 전자 피부로 사용할 경우 훨씬 더 편안한 착용감을 줄 수 있다는 장점이 있다. 또한 기존 유연 전극들의 세계 최고 기록은 5~6배 정도였으나, 연구진이 개발한 은(Ag) 잉크 고신축 전극은 기존 대비 18.8배 늘어나는 성능을 보였으며, 이는 현재까지 보고된 유연전극 중 세계 최고 기록이다.

KIST 홍재민 박사(전북분원장)은 “향후 이 기술은 전자 피부와 부착형 의료기기 등 다양한 분야에 접목돼 웨어러블 기기와 소프트 로봇 혁신에 기여할 것으로 전망된다.”고 밝혔다.

본 연구는 산업통상자원부(장관 백운규)가 지원한 산업핵심기술개발사업과 과학기술정보통신부(장관 유영민)가 지원한 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 연구결과는 재료 과학 분야 국제 학술지인 ‘Advanced Materials’(IF: 19.791, JCR 랭킹 상위 1.027%)에 게재되었다.

  * (논문명) ‘Ultra-stretchable conductor fabricated on skin-like hydrogel-elastomer hybrid substrates for skin electronics’
         - (제1저자)  한국과학기술연구원 김선홍 (연구원)
         - (교신저자) 한국과학기술연구원 홍재민 박사(책임연구원, 전북분원장)

□연구결과  개요

1. 연구배경
미래에는 구부리거나(flexible) 늘릴 수 있는(stretchable) 전자기기들이 나올 것이다. 이러한 차세대 웨어러블 전자기기들을 구성하는 가장 기본적인 핵심은 변형이 가능한 유연성 전극이다. 특히 프린팅 전자 기술은 원하는 전극의 패턴을 저가공비로 형성시킬 수 있는 차세대 기술로 활발한 연구가 진행 중이다. 웨어러블 기술은 실제로 인체에 부착되어 사용하기 위한 기술이기 때문에 착용감이 중요한 요소 중 하나이다. 하지만 전 세계적으로 보고된 프린팅이 가능한 유연성 전극들은 PDMS나 ECOFLEX 같은 실리콘 고무 기반 위에 만들어졌으며, 실제로 피부나 여러 가지 인체 조직들보다는 변형률이 낮은 특성이 있어 착용감에 불편함이 있다.

최근에 연구진에서 피부나 인체조직과 변형률이 유사한 하이드로겔-고무 복합체를 만들었고 이를 Ag 프린팅 전극과 결합하는 공정을 적용하여 기존 결과들보다 월등히 늘어날 수 있는 고 신축 전극 (18.8배)을 개발하였다.

2. 연구내용
일반적으로 이용한 유연소자의 기본 핵심인 유연전극을 만드는 방법은 여러 가지가 있다. 그중에서 프린팅 기법은 재료, 공정의 측면에서 저비용이기 때문에 각광받는 기술 중 하나이다. 유연전극용 잉크는 늘려도 성능을 유지해야 하므로 전도성이 좋은 Ag , Au 같은 금속물질을 이용한 복합체를 사용하는 것이 유리하다. 이러한 금속기반의 잉크들은 표면 특성이 맞는 실리콘 기반의 유연 기판 위에 프린팅하여 사용하는 것이 보통이다. 하지만 실리콘 기반의 재료들은 피부나 인체조직에 비해 딱딱하므로 오래 착용 시 불편함을 줄 수 있다.

본 연구에서는 이를 향상하기 위해 하이드로겔이라는 물질을 도입하였다. 하이드로겔은 초기형태보다 20배 늘어날 수 있는 고신축성 물질로써 대부분이 물로 이루어져 있기 때문에 프린팅 기법을 이용하기가 어려웠다. 본 연구팀에서는 이를 해결하기 위하여 하이드로겔이라는 물질 위해 30마이크로미터(100만분의 1)의 매우 얇은 고무를 코팅하여 프린팅 기법을 적용할 수 있는 하이드로겔-고무 복합체를 개발하였다. 이 복합재료는 기존의 금속 잉크를 이용한 인쇄전자와 변형률이 매우 높은 하이드로겔 기판을 결합했다는 중요한 의미가 있다.

새롭게 개발된 전극은 기존보다 훨씬 더 잘 늘어나면서도 우수한 전기적 특성을 보이는 것으로 나타났다. 또한, 기존 하이드로겔 위에 고무를 매우 얇게 코팅하였기 때문에 하이드로겔과 같이 피부와 유사한 변형률을 보였으며 이는 웨어러블 전자기기의 착용감 측면에서 매우 큰 이점을 갖고 있다. 또한, 연신율은 18.8배를 기록하였으며, 이 성능은 보고된 유연소자 중 세계 최고의 결과이다. 그동안 유연전극 개발에 대한 많은 연구 성과가 있었고 본 연구진 역시 세계 최고 수준의 기록을 보유하고 있었으나, 금번 연구결과로 기존 기록 3배 가량의 세계 최고기록을 달성하게 되었다.

□용어 설명

1. 하이드로겔 (Hydrogel)
하이드로겔은 일반적으로 기저귀, 콘택트렌즈, 의료용 전극, 세포 배양 시 많이 쓰이고 특수한 용도로 성형 재료나 토양 수분 저장용, 화상 상처용 붕대류에도 다양하게 쓰인다. 이는 공유 결합, 수소결합, van der waals 결합 또는 물리적 결합 등과 같은 응집력에 의해 가교된 친수성 고분자로서, 수용액 상에서 다량의 물을 내부에 함유하여 팽윤할 수 있는 3차원 고분자 네트워크 구조를 갖는 물질이다.

2. Advanced Materials
Wiley에서 발간하는 세계적인 재료/화학분야 최고 권위지로서 피인용지수(Impact Factor)가 2017년 기준 19.791이며, 재료 과학 부문 JCR 랭킹 상위 1.09%이다.

□그림 설명

 

<그림1>
(왼쪽) 1780% 늘어난 유연전극 (18.8배)
(오른쪽) 유연전극을 이용한 전자 패치
(아래) KIST 패턴의 전극을 LED에 적용

◇홍재민 박사(교신저자) 이력사항

1. 인적사항
 ○ 성 명 : 홍재민
 ○ 소 속 : 한국과학기술연구원 전북분원 분원장     
 ○ 전 화 : 010-3182-5326
 ○ e-mail : jmhong@kist.re.kr

2. 학력사항
 ○ 1981-1985 서울대학교 공업화학과 학사
 ○ 1985-1987 서울대학교 공업화학과 석사
 ○ 1987-1993 서울대학교 공업화학과 박사
 
3. 주요경력사항 
 ○ 2017.11 – 현재 한국과학기술연구원 전북분원 분원장
 ○ 2017 - 2017.11 KIST School 대표교수
 ○ 2015 - 2017.04 국가과학기술심의회 정책조정전문위원회 위원
 ○ 2011 - 2013.07 국가과학기술위원회 / 미래창조과학부 연구개발조정국                           과학기술예산심의관(국장)
 ○ 2010 - 2011.07 지경부 R&D전략기획단 부품소재 MD 지원팀장/전문위원
 ○ 2009 - 2011.03 KIST 광전자재료연구센터장, 나노인쇄전자사업단장
 ○ 2008 - 2008.10 MIT 재료공학과 객원연구원
 ○ 2006 - 2008.01 NITU 겸임교수
 ○ 2000 - 2003.12 동국대학교 겸임교수
 ○ 2000 - 2001.02 Stanford Univ. 화학공학과 방문연구원
 ○ 1996.10 – 현재 한국과학기술연구원 책임연구원
 ○ 1995 – 1996.09 Colorado State Univ. 화학과 Post-Doc.

김선홍 연구원(주저자) 이력사


1. 인적사항
 ○ 소 속 : 국가기반기술본부 광전하이브리드센터
    현재소속 : 서울대학교 전기전자 컴퓨터 공학부
 ○ 전 화 : 010-7338-1302
 ○ e-mail : shkim5070@gmail.com

2. 학력사항
○  2009 - 2013   서강대학교, 화공생명공학부 학사
○  2013 - 2015   서울대학교, 화학생물공학부 석사
○  2018 - 현재   서울대학교 전기전자 컴퓨터 공학부 박사과정
 
3. 주요경력사항
○ 2015-2016 – 동진쎄미켐 판교연구소 연구원
○ 2016-2018 – 한국과학기술연구원 국가기반기술본부 연구원

 

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