서울대 공대 전기·정보공학부 이신두 교수팀(강수지 박사과정학생, 이보연 박사, 이신형 박사)는 휘거나 늘리거나 심지어 비틀어도 전기적 성능이 변하지 않는 전도성 고분자 기반의 고해상도 신축성 전극 핵심기술을 개발했다고 밝혔다.

이번 연구결과를 통해 최근 세계적으로 관심이 집중되고 있는 폴더블 스마트폰이나 유연성을 넘어 신축성 웨어러블 기기 등에 사용되는 전자회로, 센서, 소자 등을 제작하거나 집적하는데 요구되는 신축성 전극의 해상도, 성능 재현성과 신뢰성의 기술적 난제를 해결할 수 있게 되었다.

웨어러블 응용 분야에서 다양한 탄성 변형에 대해 전기적 성능을 균일하게 유지하고 높은 안정성과 재현성을 가지는 신축성 미세 전극 어레이는 핵심요소이다. 그러나 지금까지 전도성 고분자의 경우 신축성 기판 자체의 소수성으로 인해 높은 패턴 정확도와 수십 마이크로미터 너비의 해상도를 가지는 전극 어레이를 제작하는데 근본적인 한계가 있었다.

이신두 교수팀은 이를 극복하기 위해 세계 처음으로 기판 표면에서의 방향성 젖음 국지화 (directional wetting localization) 개념을 제안하여 기판의 표면 에너지를 증가시키고 기판과 용액 사이의 에너지 차이와 방향성 젖음을 원하는 수준으로 조절하여 높은 패턴 정확도를 가지는 신축성 전극 어레이를 개발했다.

▲ 손가락에 부착하여 비틀거나 늘린 상태의 신축성 전극으로 연결된 10개의 적색 LED의 발광사진

이러한 신축성 전극 어레이는 패턴 모양에 무관하게 균일하고 안정한 전기적 특성을 보였고 인간 관절의 평균적 운동 범위인 40% 수준의 인장률 변형에서도 전기적 특성이 우수하게 유지되었다. 또한, 용액 공정으로 신축성 전극 위에 제작된 유기 고분자 발광 다이오드는 반복적인 인장 변형에 대해서 대단히 안정적인 발광 특성을 보였다. 전도성 고분자 기반의 고해상도 신축성 전극 핵심기술은 다양한 형태(form factor)의 차세대 디스플레이, 웨어러블 전자소자 및 센서 등의 개발에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

이 연구는 서울대학교 정보기술사업단 BK21 플러스 사업과 삼성디스플레이㈜의 지원으로 수행되었다. 연구 결과는 세계적인 국제 학술지 네이쳐 자매지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’에 9월 10일자 온라인으로 게재됐다