기술교육대 채수상 교수 등 국제 연구팀 '신축성 전극소재' 확보
뇌주름 형성 원리 이용, 안정성과 계면적합성 매우 우수
국제학술지 게재, 고무처럼 늘어나며 금속처럼 강해
한국연구재단은 가천대 이태일 교수와 경희대 오진영 교수, 로렌스리버모어국립연구원 최원진 박사, 한국기술교육대 채수상 교수 등 국제 공동연구팀이 잘 섞이지 않는 두 물질인 고무와 금속을 뇌주름 형상의 '금속-탄성체 나노구조체'로 제조하는 기술을 개발했다고 23일 밝혔다.
피부를 닮은 전자피부나 촉각센서, 잘 구부러지는 디스플레이를 만들기 위해서는 전기가 통하면서도 유연한 소재가 필수적이다.
하지만 이런 신축성 전극 개발에서 금속물질과 고무와 같은 탄성체 간 반발력에 의해 서로 섞이지 않아 재료적 한계가 있었다.
이번에 국제 공동연구팀은 증착과정에서 열역학적론이 반대 개념인 속도론적 방법으로 열역학적으로 섞이기 싫어하는 금속과 탄성체를 섞어 각각의 물질 고유특성을 유지할 수 있는 나노구조체 신소재를 개발했다.
연구팀은 고무 탄성체 기판 위에 금속박막을 증착하는 과정에서 고무와 금속 각 물질들의 증착속도를 조절하는 방식으로 화학반응을 통제했다.
고무분자들의 이동속도와 증착되는 금속원자들의 증착속도 간의 상대적 차이를 조절, 나노니들 형태의 금속구조체들이 매우 조밀하게 연결된 금속-탄성체 나노상을 만드는데 성공했다.
증착은 금속을 고온으로 가열 및 증발시킨 뒤 그 증기로 금속을 박막에 밀착시키는 방법이며 나노니들(nano needle)은 머리카락 굵기보다 얇은 미세바늘로 화학물질을 전달, 이동하는 기술이다.
또 연구팀은 고무 탄성체 기판표면에 형성된 금속-탄성체 나노상이 기판과 계면 사이 큰 기계적 불안정성을 유도해 증착이 끝난 후 수 시간에 걸쳐 마치 뇌주름과 같은 형태의 표면 주름이 형성되는 것을 관찰했다.
이는 표면적이 높아지는 효과를 얻는 동시에 금속-탄성체 나노상 내부의 특이한 나노구조를 통해 기계·화학·열적 측면에서 기존 재료 보다 매우 높은 내구성을 띈다.
이 기술은 VR/웨어러블전자기기/웨어러블로봇 등 일상생활 속에서 우수한 표면 내마모성과 세탁 가능한 정도의 내구성이 요구되는 응용분야에 널리 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
한국연구재단이 추진하는 신진연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구 결과는 재료분야 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 지난 9일 게재됐다.(논문명:Kinetically controlled metal-elastomer nanophases for environmentally resilient stretchable electronics)
한국기술교육대 채수상 교수는 "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 말했다.
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