뇌주름 형성 원리 이용한 신축성 전극 소재 개발
- 고무처럼 늘어나며 금속처럼 강한 첨단 바이오 신소재 -
□ 고무처럼 잘 늘어나면서 금속만큼 전기가 잘 통하는 첨단 바이오 신소재가 개발됐다. 뇌주름과 같이 소재의 표면적을 증가시킨 독특한 나노구조를 통해 내구성 높은 신축성 전극 소재로 주목된다.
□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 가천대 이태일 교수, 경희대 오진영 교수, 로렌스리버모어국립연구원 최원진 박사, 한국기술교육대 채수상 교수 국제 공동 연구팀이 잘 섞이지 않는 두 물질인 고무와 금속을 속도론적* 방법으로 뇌주름 형상의‘금속-탄성체 나노 구조체’를 만드는 기술을 개발했다고 밝혔다.
* 속도론적 : 화학 반응에 있어서 열역학이 에너지의 변환과 흐름에 관련된 원리를 설명한다면, 화학 반응속도론은 반응의 경로, 반응 속도 등에 대해 탐구한다.
□ 최근 전자피부, 웨어러블 로봇 등 착용형 전자기기 개발이 활발하다.
○ 피부를 닮은 전자피부나 촉각센서, 잘 구부러지는 디스플레이를 만들기 위해서는 전기가 통하면서도 유연한 소재가 필수적이다.
○ 하지만 이런 신축성 전극 개발에서 금속 물질과 고무와 같은 탄성체 간 반발력에 의해 서로 섞이지 않아 재료적 한계가 있었다.
□ 공동연구팀은‘속도론적 방법’이라는 새로운 접근으로 이 문제를 해결했다.
○ 열역학적으로 섞이기 싫어하는 금속과 탄성체를 섞어서 각각의 물질 고유 특성을 유지하는 나노구조체 신소재를 개발했다.
○ 연구팀은 고무 탄성체 기판 위에 금속 박막을 증착*하는 시스템에서, 고무와 금속 각각 물질들의 증착 속도를 조절하는 방식으로 화학 반응을 통제했다.
○ 고무 분자들의 이동속도와 증착되는 금속 원자들의 증착 속도 간의 상대적 차이를 조절, 나노니들** 형태의 금속구조체들이 매우 조밀하게 연결된 금속-탄성체 나노상을 만드는데 성공하였다.
* 증착 : 금속을 고온으로 가열 및 증발시킨 뒤, 그 증기로 금속을 박막으로 밀착시키는 방법이다.
** 나노니들(nano needle) : 머리카락 굵기보다 얇은 미세바늘로 화학물질을 전달, 이동시키는 기술로 등장했다.
□ 또한, 이렇게 고무 탄성체 기판 표면에 형성된 ‘금속-탄성체 나노상’은 기판과 계면 사이의 큰 기계적 불안정성을 유도해 증착이 끝난 후, 수 시간에 걸쳐 마치 뇌주름과 같은 형태의 표면 주름이 형성되는 것도 관찰했다.
○ 이는 표면적이 높아지는 효과를 얻는 동시에 ‘금속-탄성체 나노상’내부의 특이한 나노구조를 통해, 기계적·화학적·열적 측면에서 기존 재료에서 보기 힘든 정도의 높은 내구성을 보였다.
□ 채수상 교수는 이번 연구성과에 대해 “기존 신축성 전극이 가질수 없었던 매우 뛰어난 내구성을 바탕으로 차세대 웨어러블 의료 및 전자기기나 VR과 같은 응용 분야의 전극소재로 널리 활용될 수 있을 것”이라고 설명했다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 신진연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 재료 분야 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 4월 9일 게재되었다.
