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연구소소개

울퉁불퉁한 표면에도 구현 가능한 플렉서블 센서기술 개발

등록일 : 19-06-18
스핀융합연구단 이현정 박사팀
조회수 : 12178

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- 다양한 형태/구조의 기판에 고성능 플렉서블 센서 구현, 차세대 웨어러블 기기에 활용

- 하이드로젤을 이용한 나노메쉬 전극 전사 프린팅 기술 개발

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 스핀융합연구단 이현정 박사팀은 하이드로젤*과 나노 잉크 소재를 이용하여, 다양한 형태와 구조의 유연기판에 고성능 센서를 손쉽게 만들 수 있는 전사 프린팅(Transfer-Printing)** 기술을 개발했다고 밝혔다.

*하이드로젤(Hydrogel) : 용매가 물이거나 물이 기본 성분으로 들어 있는 젤리 모양의 물질

**전사 프린팅(Transfer-Printing) 공정 : 전사기판에 만든 전극을 최종기판에 옮김으로써 소자를 제조하는 공정.

최근 스마트워치, 피트니스 밴드 등 웨어러블 기기들에 대한 관심이 빠르게 증가하고 있다. 특히, 착용하는 형태의 웨어러블 기기에서 피부에 붙이는 형태의 웨어러블 기기로 기술의 영역이 확장됨에 따라 고성능 센서를 다양한 형태와 종류의 기판에 구현할 수 있는 기술에 대한 요구가 늘어나고 있다.

전사 프린팅 공정은 피부에 붙였다 떼면 그림이 옮겨지는 판박이 스티커처럼 프린트할 제품을 미리 만들어놓고 옮길 수 있는 공정으로, 열적 혹은 화학적으로 취약한 기판 위에 소자를 만드는데 생길 수 있는 공정상의 여러 어려움을 피할 수 있다는 장점이 있어 플렉서블 소자의 제조에 널리 활용되고 있다. 하지만 지금까지 개발된 전사 프린팅공정은 주로 최종기판이 평평할 때에만 적용이 가능한 단점이 있었다.

KIST 이현정 박사팀은 이러한 한계를 극복하고, 다양한 표면 거칠기 및 특성을 지닌 유연 기판 상에 고성능 유연 센서를 형성할 수 있는 쉽고 간단한 전사 프린팅 공정기술을 개발하였다.

KIST 연구진은 하이드로젤 소재가 다공성***이면서 친수성인 점에 착안하여, 수용액 기반 나노소재 잉크****를 기판 형태로 굳힌 하이드로젤 표면에 인쇄하면 인쇄된 잉크 중 계면활성제와 물은 하이드로젤의 구멍을 통해 빠르게 빠져나가고 구멍보다 크면서 소수성 특성을 지닌 나노 소재만 하이드로젤 표면에 남겨 원하는 패턴의 전극을 형성하였다.

***다공성 구조 : 고체의 표면이나 내부에 작은 구멍이 많이 있는 구조

****수용액 기반 나노소재 잉크 : 계면활성제를 이용하여 소수성 나노소재를 물에 분산시킨 잉크

이때 프린팅 되는 나노 잉크의 양이 적어 전극 형성속도가 매우 빨라 나노전극의 구조가 균일하며 순도가 높아 전기적 특성이 뛰어났다. 또한, 나노 소재의 소수성 특성으로 인해 하이드로젤과의 상호 작용력이 매우 낮아 전극이 다양한 기판에 손쉽게 전사되었다.

특히, 몰딩이 가능한 고분자 용액을 하이드로젤 상에서 굳히는 방법을 통해서 나노전극을 전사하는 기술을 개발하여 거친 표면을 지닌 유연 기판 상에도 손쉽게 유연 전극을 형성하였다. 나노 전극을 실험용 장갑 상에 바로 전사하여 손가락의 움직임을 감지할 수 있는 변형 센서를 제작하였으며, 맥박을 측정할 수 있는 고성능 유연 압력 센서도 구현하였다.

KIST 이현정 박사는 “이번 성과는 고성능 유연 센서를 다양한 특성과 구조를 지닌 기판에 손쉽게 구현하는 새로운 방법을 제시한 것으로, 추후 디지털 헬스케어, 지능형 인간-기계 인터페이스, 의공학, 차세대 전자소자 분야 등 유연 기판 혹은 비전통적 기판 소재 상에 집적화된 고성능 소자 구현을 필요로 하는 다양한 분야에 활용 가능할 것으로 기대된다”라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST Young Fellow 사업과 바이오의료기술개발사업, 나노원천기술개발사업 등을 통해 수행되었으며, 연구결과는 나노분야 국제 저널인 ‘Nano Letters’(IF: 12.080, JCR 분야 상위 5.822%) 최신호에 게재되었다.

* (논문명) Hydrogel-Templated Transfer-Printing of Conductive Nanonetworks for Wearable Sensors on Topographic Flexible Substrates

- (제1저자) 한국과학기술연구원 강태형 박사후연구원

- (교신저자) 한국과학기술연구원 이현정 책임연구원