[첨단 헬로티]
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) 전북분원 복합소재기술연구소 홍재민 박사팀은 하이드로겔-고무 복합소재와 은(Ag) 전극을 결합하여 고신축 전극을 개발하였다. 최대 18.8배까지 늘어나도 성능을 유지하는 것이 특징이다.
▲(왼쪽) 1780%(18.8배) 늘어난 유연전극, (오른쪽) 유연전극을 이용한 전자 패치
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(실리콘 계열의 신축성 고무)와 같은 실리콘 계열의 신축성 고무 기반 위에서 만들어진다. 그러나 이러한 경우, 피부나 여러 인체 조직들보다는 변형률이 낮아 착용감이 좋지 않은 단점을 가지고 있었다.
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.
*하이드로겔 : 일반적으로 기저귀, 콘택트렌즈, 의료용 전극에 많이 쓰이고, 특수한 용도로는 성형재료나 토양 수분 저장용, 화상 상처용 붕대류에 쓰임
표면처리 기법을 이용하여 고무(ECOFLEX)를 머리카락 두께의 반 정도인 30㎛(10만/1㎝)의 두께로 만든 하이드로겔-고무 복합체 위에 프린팅 기술을 적용하여 고신축 전극을 제작하였다.
이번에 개발된 고신축 전극은 사용자가 원하는 패턴으로 프린팅 할 수 있기 때문에 대면적 회로형성에도 유리한 점이 있다. 또한 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.
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.
