[국가기반기술연구본부] 유연한 은나노와이어 안테나 개발로 웨어러블 시대에 더 가까이(오진우 기자)

  최근 광전하이브리드 센터의 김병수 연구원, 표준범 연구원은 “구불구불한 구조를 가지는 실버나노와이어(이하 wavy Ag NW)”를 이용하여 라디오파(Radio-frequency)를 위한 안테나를 제작하는데 성공하였다. wavy Ag NW를 이용하였을 때, 연구원들은 광학적으로 투명하고(transparent) 여러 번 늘릴 수 있는(stretchable) 성능을 보임을 확인하였다.

  기존에 사용되던 안테나는 주로 금속 재질의 물질을 기반으로 제작하기 때문에 투명성 및 유연성을 확보하지 못한다는 문제가 있었다. 따라서 미래 기술로 주목받고 있는 유연성을 가지는 투명 디바이스들에 적용시킬 수 없었다. 안테나는 각 디바이스간의 데이터 송수신을 위해서는 필수인 부품으로 우리가 일상생활에서 사용하는 스마트폰, 태블릿과 같은 전자통신기기 뿐 아니라, 웨어러블 디바이스, 혹은 몸 안에 부착하는 디바이스에도 포함되어 있다. 특히 헬스케어를 위해 팔꿈치나, 손가락, 무릎, 발목 등 구부러지는 신체 부위에 붙이거나, 가슴과 같은 굴곡이 있는 몸의 부분에 부착해 생체신호(심박수, 혈당 등)를 읽고 각 수치를 디바이스로 송수신하기 위해선 안테나를 포함한 디바이스 전체의 유연성이 필요하다.

 

<그림 1> 현재 시판중인 S 사의 웨어러블 디바이스는 불투명하고 유연성을 가지지 않지만, 앞으로는 투명하고 유연성을

              가지는 디바이스에 대한 수요가 늘어날 전망이다.

  현재 기술에 적용되고 있는 부품들은 크고 딱딱하여 이런 웨어러블 디바이스에 적용할 수 없는 실정이다. 그러므로 유연한 전자부품들을 개발할 필요가 있으며, 그 중 하나가 높은 유연성을 가지는 안테나이다. 이러한 ‘유연한 안테나’에 대한 보고가 지금까지 전혀 없었던 것은 아니다. 기존의 발견 사례를 살펴보면 금속박막을 탄성체 위에 올리는 방법으로 유연성을 확보하거나 금속 메쉬구조를 탄성체 위에 올려서 안테나를 제작하는 식으로 제작을 해오고 있다.

  이렇게 금속 박막이나. 금속 메쉬 등을 사용할 경우, 금속의 높은 안테나 효율을 가져올 수 있다는 장점이 있기는 하지만 투명성을 잃는다는 단점이 있다. 이를 해결하는 방법은 간단하다. 유연성을 가지면서도 투명한 전자통신 디바이스를 제작을 위해 불투명한 금속 안테나를 투명하게 만들거나, 처음부터 투명한 재료를 사용하는 두 가지 방법을 쓰면 된다.

 

 <그림 2> 유연성을 가지는 안테나들. 금속 재질을 기반으로 하기 때문에 투명성이 없다.

  김 연구원과 표 연구원은 2015년에 wavy Ag NW을 이용한 투명디바이스를 제작한 바 있다. 당시 연구에서 같은 실버나노와이어를 사용한 네트워크일지라도 그 구조의 모양에 따라 늘릴 수 있는 투명전극의 성능이 크게 차이가 날 수 있음을 밝혔다. 실버나노와이어는 부러질 때까지 버틸 수 있는 강도가 굉장히 낮기 때문에 구조의 변형이 생길 때 기계적으로 파괴될 수 있다는 단점이 있다. 두 연구원은 물 위에 띄운 실버나노와이어를 단방향으로 압축하여 구불구불한 구조를 가지는 실버나노와이어를 처음 제시하였으며, 이 특별한 구조 덕분에 같은 변형이 일어났을 때 실버나노와이어가 효과적으로 외부에서 가해지는 힘을 해소시킬 수 있다는 점을 알아내었다. 이렇게 제작한 wavy Ag NW는 여러 가지 기판 위에 전사(transfer)가 가능하며, 실제로 투명한 탄성체 위에 전사하여 투명전극으로 사용하는 연구를 진행하기도 하였다.

 

<그림 3> 김병수 연구원과 표준범 연구원이 Wavy Ag NW를 제작하는 방법에 대한 모식도와 제작한 Wavy Ag NW 의 이미지이다. 압축 프로세스를 통해서 구불구불한 구조를 제작할 수 있음을 보였다.

 

   wavy Ag NW를 이용해 광학적으로 투명하고 늘릴 수 있는 라디오파 안테나를 제작하는 방법은 아주 간단하다. 실버 나노와이어를 웹 구조로 제작한 후 물 위에 실버나노와이어의 웹을 띄우고 압축하면 구불구불한 구조를 가지는 실버나노와이어가 만들어진다. 이렇게 제작한 wavy Ag NW를 탄성을 가지는 기판 위에 올리면 늘릴 수 있는 안테나가 완성된다. 만들어진 안테나는 휘거나 구부리는 기계적인 변형에서도 굉장히 좋은 성능을 나타냈는데, 이것은 실버나노와이어의 구불구불한 구조가 기계적인 변형 내에서 외부의 힘을 해소하고 나노와이어간의 접촉면을 증가시키기 때문이다. Wavy Ag NW 네트워크를 이용하여 제작한 안테나는 기존의 선형 실버나노와이어로 제작한 안테나에 비해 더 적은 반사손실(전기 신호의 전달 시, 반사되어 손실되는 전력)을 보이고, 늘어났을 때도 안테나에서 받아들이거나 내보내는 전파의 비율이 월등히 좋았다. 또한 반복적으로 늘리고 완화시키는 실험을 진행하였을 때, wavy Ag NW로 제작한 안테나의 안정성이 더 높다.

 

<그림 4> 김병수 연구원과 표준범 연구원이 제작한 Wavy Ag NW 기반의 투명-유연성을 가지는 안테나의 모습

또한 Wavy Ag NW로 제작한 안테나는 선형 실버나노와이어로 제작할 때에 비해 더 적은 양의 실버나노와이어를 사용하기 때문에 경제적으로 더 저렴하며, 투명성 또한 더 높다. 이러한 결과를 기반으로 하여  입을 수 있는 디바이스를 위한 무선통신 시스템에서 wavy Ag NW로 제작한 안테나의 사용이 가능함을 입증하였다. 해당 연구는 국제학술지인 Applied Materials & Interfaces에 게재되었다.