10배까지 늘어나는 머리카락 1/300 두께의 고성능 전극 개발

IBS 나노물질연구단 <사이언스> 논문
금속만큼 전기 잘 통하고 신축성 높아
피부 부착해 생체신호 모니터링 가능

기초과학연구원 나노물질연구단이 ‘수상 정렬 방법’이라는 새로운 방식으로 고성능 나노박막 전극을 개발했다. 연구팀은 다양한 기능을 지닌 나노박막을 여러 층으로 쌓은 디바이스를 개발해 피부에서 근전도, 습도, 온도, 인장력 등 갖가지 생체신호를 동시에 측정할 수 있음을 증명했다. 기초과학연구원 제공

국내 연구진이 10배까지 늘어나도 전기를 금속만큼 잘 통하며 두께가 머리카락 300분의 1만큼 얇은 전극을 개발했다.

기초과학연구원(IBS) 나노물질연구단(단장 현택환 서울대 석좌교수)은 26일 “물 위에 물질을 떨어뜨려 원하는 소재를 만드는 새로운 방법을 개발해, 기존 방법으로는 얻을 수 없었던 높은 전도성과 얇은 두께, 뛰어난 신축성을 지닌 고성능 나노박막 전극을 제조했다”고 밝혔다. 연구팀 논문은 과학저널 <사이언스> 26일(현지시각)치에 실렸다.

연구팀은 새로운 박막 제조법을 ‘수상 정렬 방법’이라 이름붙였다. 연구를 이끈 김대형 나노입자연구단 부연구단장(서울대 교수)은 “잘 늘어나는 고무와 전기를 통하는 나노선을 섞는 기존 방식으로는 신축성과 전도성 두 마리 토끼를 잡을 수 없었다. 고무를 늘리면 나노선이 성글어져 전기가 잘 안 통하고, 나노선을 많이 넣으면 딱딱해져 늘어날 때 끊어진다”고 말했다.

수상 정렬 방법으로 고성능 나노박막 전극을 제조하는 과정. 먼저 은 나노선과 고무, 에탄올 등이 섞여 있는 용액을 물 표면에 뿌려 매우 얇은 형태의 늘어나는 전극을 제작한다. ‘마랑고니 효과’에 의해 용액이 물 표면을 따라 움직이며 나노선들이 한 방향으로 정렬을 한다(A와 B). 용액을 충분히 넣은 뒤 수조 중앙에 계면활성제를 떨어뜨리면 수조 가장자리 쪽으로 나노선들이 밀리며 더 조밀한 상태가 된다(C, D, E). 이후 용매가 증발하며 얇은 고무막이 남으면서 나노박막 전극이 만들어진다(F). 기초과학연구원 제공

연구팀은 먼저 물이 담긴 수조에 은 나노선과 용매(솔벤트)에 섞은 고무, 에탄올 혼합액을 떨어뜨렸다. 이때 국부적으로 표면장력 차이가 나면서 나노선이 수조 가장자리에 차곡차곡 정렬된다. 이를 ‘마랑고니 흐름’이라 한다. 은 나노선은 완전히 물에 가라앉지도, 용매 속으로 떠오르지도 않고 경계선에 머문다.

다음 계면활성제를 떨어뜨리면 나노선이 수조 가장자리로 좀더 밀려나면서 밀착한 상태가 된다. 마지막으로 용매가 증발하면 얇은 고무막이 남으면서 단일층으로 밀집한 은 나노선들이 나노박막에 박혀 있는 구조의 나노박막 전극이 만들어진다. 이 모든 작업이 진행되는 데 5분이 채 걸리지 않는다.

연구팀이 제작한 신축성 전극은 원래 길이의 10배까지 늘려도 전기전도성이 유지된다. 그림은 5배까지 전극을 늘려본 모습이다. 고무가 늘어나도 전도성 나노재료(나노선)는 고무에 안정적으로 고정돼 있다. 기초과학연구원 제공

이렇게 개발한 나노박막 전극의 전기 전도도는 10만S/㎝로 금속과 유사하다. 또 길이를 10배 늘려도 찢어지거나 깨지는 등 기계적 결함 없이 전기적 성질이 유지됐다. 두께는 머리카락의 300분의 1 정도인 250나노미터(1나노미터는 10억분의 1미터)로 매우 얇아 피부처럼 굴곡이 있는 표면에도 착 달라붙을 수 있다.

연구팀은 또 반도체 공정 등에 쓰이는 자외선 포토리소그래피를 이용해 선폭이 20마이크로미터(1마이크로미너는 100만분의 1미터)에 이르는 고해상도 패터닝도 만들었다.

연구팀은 다양한 기능을 지닌 나노박막을 여러 층으로 쌓은 디바이스를 개발해 피부에서 근전도, 습도, 온도, 인장력 등 갖가지 생체신호를 동시에 측정할 수 있음을 증명했다.

김대형 부연구단장은 “고성능 신축성 나노전극은 차세대 웨어러블 디바이스들에 광범위하게 이용될 수 있다”고 말했다. 현택환 단장은 “수상 정렬 방법을 이용하면 금속 전도체 나노소재뿐만 아니라 반도체, 자성체 등의 여러 종류의 나노소재들과 고무를 조합할 수 있기 때문에 다양한 고기능성 신축성 나노소재를 개발할 수 있다“고 말했다.

이근영 기자 [e-mail]