[기계신문] 최근 웨어러블 기기들에 대한 관심이 늘어남에 따라 유연기판 위에 집적회로를 구성할 수 있는 제조공정 기술에 대한 필요성이 대두되고 있다.

특히, 피부 부착형 센서가 개발되거나 웨어러블 기기를 매우 얇은 탄성체 혹은 열에 약한 소재 등에 구현하는 등 웨어러블 기기가 구현되는 기판의 종류가 매우 다양해지면서 소자를 최종 기판에서 바로 제조하는데 어려움들이 있어 왔다.

전사 프린팅(Transfer-Printing) 공정은 일차적으로 전사기판에 전극을 제조한 후 최종기판으로 옮기는 방식으로 최종기판에 바로 소자를 제조할 때 발생하는 어려움들을 회피할 수 있어 유연소자의 제조공정으로 주목받고 있다.

하지만 현재까지 개발된 전사 프린팅 공정은 대개 평평한 기판으로의 전사를 위한 것으로, 표면이 거친 구조를 갖는 기판 상에 소자를 전사하는 것은 어려웠다. 또한, 향후 그 활용이 증가할 것으로 예상되는 3차원 구조를 갖는 기판으로의 전사는 여전히 도전적인 과제로 남아 있었다.

▲ KIST 스핀융합연구단 이현정·강태형 박사 연구팀에서 제작한 하이드로젤 위에 나노잉크 소재를 이용한 제작한 전극의 실물

최근 한국과학기술연구원(KIST) 스핀융합연구단 이현정 박사 연구팀은 하이드로젤과 나노 잉크 소재를 이용하여, 다양한 형태와 구조의 유연기판에 고성능 센서를 손쉽게 만들 수 있는 전사 프린팅 기술을 개발했다. 하이드로젤(Hydrogel)은 용매가 물이거나 물이 기본 성분으로 들어있는 젤리 모양의 물질이다.

KIST 이현정 박사팀은 하이드로젤 소재를 전사 기판으로 이용하여 다양한 표면 구조 및 특성을 갖는 기판에 웨어러블 센서를 구현하는 새로운 전사 프린팅 방법을 개발하였다. 전도성 나노소재인 단겹탄소나노튜를 물에 분산시켜 나노잉크를 만들었고, 나노잉크를 하이드로젤 표면에 잉크젯으로 프린팅하여 원하는 모양의 전극 패턴을 구현하였다.

▲ (a) 하이드로젤을 이용한 전사 프린팅 공정의 모식도, (b) 전사 프린팅 공정으로 제조된 스트레인 센서로 엄지, 검지, 중지의 모션을 모니터링한 결과, (c) 전사 프린팅 공정으로 제조된 유연압력센서로 측정한 맥박의 신호

단겹탄소나노튜브가 분산된 용액을 하이드로젤 표면에 프린팅하면 나노소재의 용액화에 필요한 계면활성제와 용매로 사용된 물은 하이드로젤의 기공을 통해 빠져나가고 표면에는 나노소재인 단겹탄소나노튜브만 남게 되어 고순도 나노전극을 형성하게 된다. 이 과정은 매우 빨리 일어나서 거칠기가 있는 표면에서도 균일한 나노전극이 형성되었다.

▲ KIST 스핀융합연구단 연구팀이 개발한 전사 프린팅 기술로 하이드로젤(하단) 위의 전극을 PET 필름(상단)에 손쉽게 옮기고 있다.

이렇게 형성된 전극은 물을 싫어하는 소수성을 가지며, 친수성인 하이드로젤 표면과 상호작용이 매우 적기 때문에 최종기판에 접촉하게 되면 손쉽게 전사가 일어나게 된다. 뿐만 아니라, 하이드로젤 기판에 형성된 전극 위에 경화가 가능한 고분자용액을 붓고 경화시킨 후 떼어내는 방식을 이용해도 경화된 고분자 표면에 나노전극이 성공적으로 전사가 된다는 사실을 확인하였다.

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

▲ KIST 스핀융합연구단 연구팀이 개발한 전사 프린팅 기술로 실험용 장갑 위에 고성능 센서를 구현하여 손가락 움직임을 감지하는 실험을 하고 있다.

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 유연기판 혹은 비전통적 기판 소재 상에 집적화된 고성능 소자 구현을 필요로 하는 다양한 분야에 활용 가능할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

하이드로젤은 값이 싸고 여러 화학적, 물리적 특성 변형이 가능하면서 몰딩이 용이하여, 이번 연구 개발 결과를 바탕으로 보다 다양한 특성과 구조를 지닌 기판에 집적된 소자를 구현할 수 있을 것으로 기대된다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST Young Fellow 사업과 바이오의료기술개발사업, 나노원천기술개발사업 등을 통해 수행되었으며, 연구 결과는 나노분야 국제 저널인 ‘Nano Letters’ 최신호에 게재되었다.