[지금은 과학] 피부에 착 달라붙는 나노박막 소재 나온다


전도도↑신축성↑, 얇으면서 고해상도 패터닝 가능한 나노박막 전극개발

연구팀은 개발한 고신축성 고성능 나노박막 전극을 이용해 피부에 부착해 습도, 인장 변형, 온도 등 다양한 자극을 동시에 모니터링 할 수 있는 다기능성 전자기기를 제작했다. [사진=IBS]

[아이뉴스24 정종오 기자] 웨어러블 디바이스는 2026년에는 지금의 100조원 시장에서 300조원 규모로 급증할 것으로 예상된다. 이 시장을 선점하기 위한 업계와 더 나은 소재를 만들기 위한 연구가 치열하다.

이런 가운데 국내 연구팀이 전도도와 신축성이 뛰어나면서도 얇고, 고해상도 패터닝이 가능한 나노박막 전극을 개발해 눈길을 끌고 있다. 웨어러블 디바이스에 꼭 필요한 기술인 ‘4마리 토끼’를 한꺼번에 잡았다. 이번에 개발된 소재는 머리카락의 300분의 1 두께에 10배까지 늘어난다. 피부에 착 달라붙는 것은 물론이다.

IBS(원장 노도영) 나노입자 연구단 김대형 부연구단장(서울대 교수), 현택환 단장(서울대 석좌교수)은 이 같은 ‘4마리 토끼’를 잡은 나노박막 전극을 27일 내놓았다.

이번 연구의 핵심은 ‘수상 정렬 방법(Float assembly method)’에 있다. 새로운 개발 방법으로 기존 방법으로는 구현할 수 없었던 높은 전도성, 나노 두께, 우수한 신축성 등을 모두 지닌 고성능 나노박막 전극을 제조할 수 있게 됐다.

고성능 나노박막 전극은 금속만큼 전기가 잘 통하면서도, 머리카락 두께 300분의 1 수준(250nm)으로 얇고, 높은 신축성을 지녀야 한다. 피부부착형 웨어러블 디바이스의 핵심 부품으로 응용될 것으로 기대된다.

피부부착형 웨어러블 디바이스는 기계적 물성이 피부의 물성과 비슷한 특성을 가져야 한다. 디바이스의 핵심 부품인 전극은 우수한 신축성, 높은 전기 전도성, 얇은 두께는 물론 고해상도 패터닝이 필수이다.

연구팀이 개발한 ‘수상 정렬 방법’은 세 단계로 진행된다. 먼저 수조에 은 나노선, 고무, 에탄올 등의 혼합액을 떨어뜨리는 단계, 계면활성제를 첨가하는 단계, 용매를 건조 시키는 단계 등이다.

혼합액을 물 표면에 한 방울씩 떨어뜨리면 중심에서 바깥쪽으로 퍼지는 ‘마랑고니 흐름(국부적 표면장력 차이에 의해 발생하는 유체 흐름)’에 의해 은 나노선이 수조의 가장자리에 차곡차곡 정렬된다.

이어 계면활성제를 수조 중앙에 조금 넣으면 가장자리에 정렬된 은 나노선들이 압력을 받아 더 밀착한 상태로 변한다. 마지막으로 용매가 증발하면 얇은 고무막이 남으면서 단일층의 밀집한 은 나노선들이 나노박막에 부분적으로 박혀 있는 구조의 나노박막 전극이 만들어진다. 제조에 걸리는 시간은 5분 정도로 매우 짧다.

이렇게 합성된 나노박막 전극의 전기 전도도는 10만S/㎝로 금속과 비슷한 수준이었다. 원래 길이의 10배까지 늘어나도 기계적 결함 없이 전기적 성질이 유지됐다. 두께는 250nm 수준으로 매우 얇아 피부처럼 굴곡이 있는 표면에도 착 달라붙는다.

연구팀은 자외선 포토리소그래피(반도체 제작)를 이용한 선폭 20㎛ 고해상도 패터닝에도 성공했다. 나노박막 전극을 원하는 형태로 재단해 다양한 전자소자로 만들 수 있음을 의미한다. 범용성이 있다는 것이다.

연구팀은 나노박막 전극을 이용해 피부부착형 다기능 적층 디바이스를 개발했다. 피부에서 근전도, 습도, 온도, 인장력 등 다양한 생체신호를 동시에 모니터링할 수 있음을 증명했다.

김대형 부연구단장은 “고성능 신축성 나노전극은 차세대 웨어러블 디바이스들에 광범위하게 이용돼 이 분야의 발전에 크게 이바지할 것”이라고 말했다. 현택환 단장은 “‘수상 정렬 방법’이 금속 전도체 나노소재뿐 아니라 반도체, 자성체 등의 여러 종류의 나노소재들과 고무를 조합할 수 있어 다양한 고기능성 신축성 나노소재로 개발될 수 있다”고 전했다.

현 단장은 “웨어러블 디바이스를 위해서는 높은 전기 전도도, 고신축성을 가지면서도 얇고, 쉽게 응용할 수 있는 4마리 토끼를 동시에 잡아야 한다”며 “이번에 개발한 새로운 수상 정렬 방법이 이를 해결했다”고 덧붙였다

연구 결과(논문명: Highly conductive and elastic nanomembrane for skin electronics)는 국제학술지 사이언스(Science)에 8월 27일 자에 실렸다.

◆관련 동영상 보기(https://youtu.be/RJTRpbdFwJQ)

/세종=정종오 기자(ikokid@inews24.com)







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