웨어러블 기기에 활용될 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), ECOFLEX*과 같은 실리콘 계열의 신축성 고무 기반 위에서 만들어진다. 그러나 이러한 경우, 피부나 여러 인체 조직들보다는 변형률이 낮아 착용감이 좋지 않은 단점을 가지고 있었다.
* PDMS, ECOFLEX : 기존에 쓰이는 실리콘 계열의 신축성 고무
기존에 일반적인 방식으로는 하이드로겔 위에 은(Ag)과 같은 금속기반의 물질을 프린팅하는 것이 불가능했다. 본 연구진은 피부‧인체조직과 변형률이 유사하면서도 매우 잘 늘어나는 하이드로겔** 위에 고무를 얇게 코팅하여 은(Ag) 잉크를 결합하는 방법을 개발하였다. 본 연구진은 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)
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