전기전도성·두께·신축성 세계 최고 수준 나노박막 전극 국내 개발

IBS 나노입자연구단…은 나노선 혼합액 물에 떨어뜨려 최고 성능 구현

연구팀이 개발한 나노박막 전극으로 만든 다기능 웨어러블 디바이스.

피부에 부착해 습도, 인장 변형, 온도 등 다양한 자극을 동시에 모니터링할 수 있다.

국내 연구진이 세계 최고 수준의 성능을 갖는 나노박막 전극을 개발했다. 높은 전기전도성, 얇은 두께, 우수한 신축성 등 나노박막 전극이 갖춰야 할 특성을 모두 고성능으로 구현했다는 점에서 주목된다.

기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 현택환 단장(서울대 석좌교수)과 김대형 부연구단장(서울대 교수) 연구팀은 세계 최고 수준 성능의 나노박막 전극을 개발해 국제 학술지 사이언스 27일자(한국시간)에 발표했다.

이번 연구는 ‘수상 정렬 방법’이라는 새로운 방식으로 기존의 방법으로는 구현하기 어려웠던 나노박막 전극의 성능을 모두 우수하게 구현했다. 연구팀이 개발한 고성능 나노박막 전극은 금속만큼 전기가 잘 통하면서 머리카락 두께 300분의 1 수준(250나노미터·1나노미터는 10억분의 1미터)으로 얇고 신축성이 높아 피부 부착형 웨어러블 디바이스의 핵심 부품으로 활용될 것으로 기대된다.

나노박막 전극에 우수한 신축성과 고전도성을 부여하고 얇은 두께로 만드는 것은 과학자들 사이에서도 매우 어려운 연구로 여겨졌지만 이번 연구로 개발된 ‘수상 정렬 방법’을 통해 가능해졌다.

수상 정렬 방법은 수조에 은 나노선, 고무, 에탄올 등 혼합액을 떨어뜨린 뒤 계면활성제를 첨가하고 용매를 건조시키는 3단계로 진행된다. 혼합액을 물 표면에 한 방울씩 떨어뜨리면 중심에서 바깥쪽으로 퍼지는 ‘마랑고니 흐름’에 의해 은 나노선이 수조의 가장자리에 차곡차곡 정렬된다. 마랑고니 흐름은 국부적인 표면장력 차이에 의해 발생하는 유체의 흐름을 말한다.

계면활성제를 수조 중앙에 소량 넣으면 가장자리에 정렬된 은 나노선들이 압력을 받아 더 밀착한 상태가 된다. 이 상태에서 용매가 증발하면 얇은 고무막이 남으며 은 나노선들이 나노박막에 부분적으로 박히는 구조의 나노박막 전극이 만들어진다.

이렇게 만들어진 나노박막 전극의 전기전도도는 금속과 유사한 수준으로 나타났다. 원래 길이의 10배까지 늘어나도 기계적인 결함 없이 전기적 성질이 유지됐고 두께는 250나노미터 수준으로 매우 얇아 웨어러블 디바이스에도 활용 가능한 것으로 입증됐다.

김대형 부연구단장은 25일 열린 온라인 사전 브리핑에서 “나노박막 전극이 가장 유용하게 활용될 수 있는 분야는 웨어러블 디바이스”라며 “시장 규모가 2026년 이후 300조원에 달할 것으로 예상된다”고 밝혔다.

연구팀은 특히 나노미터 단위의 세밀한 회로를 반도체에 새기는 데 활용되는 방식인 ‘자외선 포토리소그래피’를 이용해 선폭이 20마이크로미터(㎛, 100만분의 1미터)의 고해상도 패터닝에도 성공했다. 나노박막 전극을 원하는 형태로 다양한 전자소자로 만들 수 있다는 의미다.

현택환 단장은 “수상 정렬 방법이 금속 전도체 나노소재뿐만 아니라 반도체, 자성체 등 여러 종류의 나노소재들과 고무를 조합할 수 있기 때문에 다양한 고기능성 신축성 나노소재로 개발될 것”이라고 밝혔다.

은 나노선과 고무, 에탄올 등이 섞여 있는 용액을 물 표면에 뿌려 물 표면 위에 매우 얇은 형태의 늘어나는 전극을 제작했다. 마랑고니 효과에 의해 용액이 물 표면을 따라 움직이며 나노 선들이 한 방향으로 정렬을 하게 된다(A, B). 용액을 빼곡이 넣은 뒤, 수조 중앙에 계면활성제를 넣으면 수조 가장자리 쪽으로 나노선들이 밀리며 더 조밀한 상태가 된다(C-E). 이후, 용매가 증발하며 얇은 고무막이 남게 되면서 나노박막 전극이 만들어진다(F).