연구동향
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융복합적 연구의 신축성 디바이스(Stretchable devices)
곽현수(포항공과대학교 기계공학부)

이전 기술 동향에서는 신축성 디바이스의 기술적 개발 방향에 대해서 알아보았다.

신축성 기기는 현재 직면한 5가지의 목표(Durability, Material, Integration, Standardization, Manufacturing)을 해결하기 위해 국내외적으로 다학제적인 접근 방법이 제시되어 왔었다. 우리는 이전 동향에선 대표적으로 액체 금속(Liquid Metal)을 활용하여 신축성 센서를 만드는 단편적인 사례에 대해서 알아보았다. 하지만 이외에도 무긍무진한 연구컨셉들이 제시되고 있다. 이번에는 재료와 구조적인 측면에서 어떤 연구들이 진행되고 있으며 이들의 특징 무엇인지 알아보도록 한다.


신축형 소자에 적합한 재료 중 고성능의 신축성을 보이는 것은 바로 은 나노와이어 (Ag-Nanowire)를 떠올릴 수 있다. 은 나노와이어는 신축성 전자 공학 분야에서 상당한 관심을 얻은 나노 물질의 한 종류이다. 이러한 나노와이어는 일반적으로 화학적 환원, 전기화학적 증착 및 물리적 기상 증착을 포함한 다양한 방법으로 합성될 수 있다. 일반적으로 나노와이어는 직경이 대략 20~200 nm이고 길이는 수십마이크로 미터에 이른다. 은 나노와이어는 높은 전기 전도성과 유연성으로 인해 신축성 전극에서 전도성 요소로 사용된다. 은 나노와이어는 그 자체로 유연한 전극으로 사용될 수 있는 것은 사실이지만, 신축성 전극에 바로 사용하기에는 어려울 수 있다1.

은 나노와이어 역시 다루기가 쉬어 쉽게 패턴화될 수 있지만, 상대적으로 부서지기 쉬어서 반복적으로 늘어나거나 구부릴 때 파손될 확률이 있다. 따라서 이들도 액체 금속과 마찬가지로 이러한 문제를 극복하기 위해 Polyurethane (PU), 폴리디메틸실록산(PDMS) 또는 유연한 고분자 물질과 은 나노와이어를 혼합하여 사용한다. 복합 전극의 고분자 매트릭스는 필요한 유연성과 탄성을 제공하여 전극이 파손되지 않고 늘어나거나 변형될 수 있도록 도와준다. 또한 이와 같은 방식으로 사용하면 제조성 측면에서도 매우 우수하다.

은 나노와이어 복합 전극은 스크린 인쇄 또는 스프레이 코팅과 같은 저비용의 확장 가능한 제조 공정을 사용하여 쉽게 제조할 수 있다는 장점을 갖고 있다. 이러한 특성 외에도, 은 나노와이어는 생물학적으로 호환되기 때문에 생물 의학 분야에서 사용하기에 적합하다. 또한 투명하므로 장치의 광학 특성을 방해하지 않고 터치 스크린 및 디스플레이와 같은 응용 프로그램에서 사용되될 수 있다. 신축성 전극에서 은 나노와이어의 사용과 관련된 과제 중 하나는 응집체를 형성하는 경향으로, 전극의 전기 전도도를 감소시킬 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해 표면 수정 및 첨가제 사용을 포함한 몇 가지 전략이 개발되었다. 또한 이와 동시에 광범위하게 연구된 물질은 단일벽 탄소 나노튜브(SWCNT) 이다. AG Nano wire의 경우 전기 화학적으로 길고 얇은 와이어로 제작된 은 원자로 구성된 1차원 나노구조인 반면, SWCNT는 그래핀의 단일 층으로 구성된 원통형 튜브로, 일반적으로 직경이 0.5~2nm 수준이다.

SWCNT는 역시 스트레쳐블 전자기기 애플리케이션에 적용될 수 있는 고유한 특성을 가지고 있다. SWCNT는 높은 종횡비와 높은 전기 전도도 때문에 AG 나노 와이어와 유사하게 낮은 부피 분율에서도 침투성 네트워크를 형성할 수 있다. SWCNT는 AG Nano-wire에 비하여 높은 유연성과 높은 강도를 포함한 우수한 기계적 특성을 가지고 있어 신축성 전극에 사용하기에 적합하다. SWCNT 기반 신축성 전극의 제작은 대표적인 방식은 Elasotmer 기반 물질 매트릭스 내에서 SWCNT를 고르게 분산시킨 다음 해당 혼합물을 신축성 기판 위에 증착하는 방식이다. 혹은 AG 나노와이어와 유사한 레이어별 증착 기법을 사용한다. 하지만 신축성 전극에 SWCNT를 사용하는 데 있어 한 가지 문제점은 다발형태로 뭉치는 경향이 있다는 것이다. 이는 필름의 전기 전도도 감소로 이어질 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해 연구자들은 나노튜브를 분산시키고 나노튜브 표면을 다양한 화학기로 분산시키거나 계면활성제를 사용하는 등 Aggregation 을 방지하는 방법을 개발했다.


최근에는 SWCNT와 AGNW를 혼합하는 방식을 사용한다. AgNW가 깨지거나 응집되는 것을 SWCNT가 침투하여 방지해주는 연구결과가 보고되었다1. 해당 소재 내부에서 SWCNT는 변형률 또는 압력 감지를 위한 변환기 역할을 하는 추가 기능을 제공하여 인성과 기계적 성능을 우수하게 향상할 수 있었다. Fig 1은 대략적인 SWCNT-AgNW 복합체의 형태와 이에 따른 기계적 특성을 간략히 소개한다. 해당 복합체는 용액 기반 혼합, 층별 조립 및 전기 방사등이 제시된고 있다. 이러한 방법을 통하여 SWCNT와 AgNW의 비율이 다양한 매우 균일하고 확장 가능한 합성물을 생산할 수 있다. SWCNT-AgNW 복합 전극은 유연하고 신축성 있는 전자 장치, 센서 및 에너지 저장 장치를 포함한 다양한 응용 분야에서 가능성을 보여준다. 그러나 높은 생산 비용과 탄소 나노튜브 사용과 관련된 환경 문제와 같은 과제는 광범위한 상업적 사용 전에 여전히 해결되야만 한다.


하이드로겔(Hydrogel)은 다량의 물을 흡수하고 유지할 수 있는 3차원 친수성 고분자 네트워크이다. 하이드로겔은 높은 수분함량, 생체적합성, 조절이 가능한 기계적 특성 등으로 웨어러블 전자 장치를 위한 신축성 전극으로 관심을 받았다. 일반적으로 스트레쳐블 전극에 하이드로겔을 사용하는 주 목적은 자가 치유(Self-Healing)이다. 특히 인간-기계 인터페이스 제품 중에 탑재되는 전극 재료로 하이드로겔을 사용한다. 인체의 움직임은 일반적으로 변형률의 정도가 매우 높기 때문에 성능 저하를 방지하기 위해 전자 장치가 인간의 움직임에 의해 발생하는 극단적인 변형에 대해 우수한 기계적 안정성을 보여야만 한다. 또한 타 제품에 비하여 외부의 힘과 마모로 인한 손상이 불가피하게 발생하기 때문에 최근에 이를 위한 재료로 자가치료가 가능한 전극 물질이 각광받고 있다.


자가치료 기능을 수행할 수 있는 신축성 전극은 기존의 전자기기 보다 높은 자유도를 갖는다. 예를 들면, 굽힘, 접힘, 비틀림 및 신장 상태에서 작동할 수 있으며 파손이 발생하여도 원래의 특성을 회복할 수 있다는 것이 큰 장점이다. 사용되는 하이드로겔은 일반적으로 폴리아크릴아미드(Polyacrylamide) 또는 폴리에틸렌 글리콜(poly(ethylene oxide))과 같은 합성 중합체 또는 알긴산염(Alginic) 또는 젤라틴(Gelatin)과 같은 천연 중합체가 해당된다. 또한 하이드로겔 매트릭스에 탄소 나노튜브 또는 금속 나노입자와 같은 전도성 물질을 사용하여 전기 전도도를 부여할 수 있다. 이렇게 만들어진 전도성 하이드로겔(Conductive Hydrogel)은 전극 역할을 수행함과 동시에 자가 힐링이 가능한 물질로 사용이 가능하다. 자가 치유 특성을 달성하기 위해서는 하이드로겔을 다양한 전략으로 설계할 수 있다.


Fig 2에는 크게 두 가지 형태의 자가 힐링 타입의 스트레쳐블 전극을 소개하고 있다. 첫 번째는 특정 자극에 노출될 때 부서진 이후에 변형될 수 있는 디설파이드(Disulfide bond) 결합 또는 보론산(Boronic acid) 에스테르 결합과 같은 가역적인 화학 결합을 폴리머 네트워크에 도입하는 것이다14. 디설파이드 결합은 일반적으로 단백질의 시스테인 잔기에서 발견되는 두 개의 황 원자 사이의 공유 결합이다. 이러한 결합은 가역적이며 특정 조건에서 파괴 및 재생될 수 있으므로 자가 치료가 가능하다. 디설파이드 결합을 하이드로겔에 도입하기 위해, 하이드로겔 네트워크의 본딩 결합과 황 원자를 포함한 (S-S) 원자를 포함하는 화학 그룹을 사용하여 기능화될 수 있다. (Fig2참고)

해당 방식으로 제작된 전극 구조물은 자가 치유 과정이 빠르고 효율적이어서 하이드로겔이 손상된 후 기계적 특성을 빠르게 회복할 수 있다. 또 다른 방법은 하이드로겔에 치유제가 함유된 마이크로캡슐을 포함하는 것인데, 하이드로겔은 손상 시 파열되고 손상된 부위를 복구하기 위해 치유제를 방출할 수 있다. 마이크로 캡슐의 폴리머 쉘은 알긴산염이나 젤라틴과 같은 생체적합성 물질로 만들어질 수 있으며, 기계적 스트레스나 pH의 변화와 같은 특정 자극에 반응하도록 설계될 수 있다.
 

마이크로 캡슐을 둘러싼 물질이 손상되면, 스트레스 또는 pH의 변화로 인해 고분자 쉘이 파열되어 손상된 부위로 치유제가 방출되고 복구가 촉진될 수 있다. 이렇듯 전도성 하이드로겔은 독특한 계층적 다공성 구조를 갖고 있어 분자 설계 및 구조 조절을 통해 광범위하게 물리적 및 화학적 특성을 조절할 수 있다.


지금까지 신축성 기기 전극의 성능을 향상해 줄 수 있는 다양한 물질적 측면에 대해서 알아보았다. 하지만 신축성 장비의 핵심 기술은 그들의 기능성을 손상시키지 않고 큰 변형을 견딜 수 있는 구조 설계를 선택하는 것 역시 중요하다. 신축성 전자 장치(Stretchable electronics)는 구조적(Structural) 측면과 재료(Material) 측면이 융복합된 기술이다. 그렇기 때문에 재료의 기술력이 확보되었을지라도 반복적인 기계적 응력 혹은 구부리고 비틀림과 같은 극한의 상황에선 전도성을 유지하지 못할 수 있다. 이런 경우 구조적인 설계를 도움을 받음으로써 기존의 재료적 성능과 더 높은 신축 성능을 확보할 수 있고 디자인 설계 및 구조 최적화 측면에서 신축성 디바이스에서 구조적인 설계는 꼭 필요하다. 잘 설계된 구조와 적절한 재료를 사용하는 것이 바로 신축성 전자장치의 성공적인 개발이 될 것이다.

지금까지 우리는 신축성 소자의 개발에 사용되는 신소재를 개발 및 도입하였던 방식들(Liquid Metal, Nano-Wire, Hydrogel)에 대해 알아보았고 이번에는 기계공학 및 구조적인 측면에서 새로운 컨셉의 구조를 도입하는 연구 방향에 대해서 알아보고자 한다.


Fig3은 가장 일반적으로 사용되고 있는 신축성 장비의 예시를 보여주고 있다. 그림에서 보는 것처럼 전극이 꾸불꾸불하게 형성되거나 복잡한 메시 구조를 갖고 있는 것을 알 수 있다. 이렇듯 신축성 전자기기는 구조적으로 설계하기엔 다소 복잡해 보일 수 있다.

구조적인 설계 역시 이들에게 있어서 매우 중요하다. 기존 전극 물질로는 기계적 및 전기적인 한계점이 존재하였다. 하지만 응력을 분산시키거나 전체적인 디바이스의 경량화 및 구조 강건성을 높이는 것은 설계 방식에서 도래할 수 있다. 더 나아가서 설계 방식을 표준화 혹은 규격화 해 나아가면 추후 대량 생산 혹은 제조혁신으로 이어질 수 있기 때문에 신축성 기기에서 구조적 설계를 이해하는 것은 매우 도움이 된다.


대표적으로 소개할 구조적 설계 방식은 섬-브릿지(Island-bridge) 구조이다. 이 구조는 기존의 신축성이 없거나 일체형의 Bulky한 디바이스들을 조금 더 작은 분리된 구성요소들로 나누고 이들을 서로 상호 작용시켜 움직이게 하는 것을 의미한다. “Mesh-Island” 혹은 “Rigid- island”로 언급되기도 하는 해당 구조는 전통적으로 상대적으로 부피가 크고 신축성이 없었던 기능적인 요소들을 신축성이 존재하는 구불구불한 Bridge 혹은 인터커넥팅 (Interconnecting)으로 대체하여 상당한 수준의 신축성을 달성할 수 있다고 한다. 이러한 구조물의 핵심 전략은 바로 외부 신장 혹은 외력이 가해지는 상황에서 내부에서 발생되는 Stress 혹은 Strain 들이 집중되는 곳을 집중화 혹은 국소적으로만 발생시켜 받는 힘을 분산시킨다.

이러한 기술은 특히 신축성 센서, 에너지 저장 및 장치, 트랜지스터 등에 구조물에 탑재되어 효율적인 기능을 선보인다. Island- Bridge 구조에서 Bridge 는 일반적으로 신축성이 없는 Island 들의 안정적인 성능을 유지하면서 장치 수준의 신축성을 가능하게 하는 데 중요한 역할을 한다.


Fig 4는 대표적인 Island bridge 구조의 단편적인 예시를 보여주고 있다. Bridge 와 Island는 각각 다른 재료 그리고 다른 물성을 갖는 재료들을 사용한다. 특히 Bridge는 신축성이 존재하며 구불구불한 구조를 사용하여 응력을 분산화 하는데 초점을 맞추고 Island는 기존의 전기적 성능을 수행하는 기능적인 부분을 담당한다. 이렇게 각각의 구성요소가 책임지는 역할이 다르기 때문에 Island-bridge 구조는 매우 효율적인 구조라고 말할 수 있다.

상기 Fig 4의 예시는 동결 방지(Anti-Freezing), 비건조(Anti-Drying) 한 신축성 성능 시스템을 Island-Bridge 로 활용한 사례를 보여주고 있다. 이들은 시스템을 공간적으로 구분하였으며 Bridge 부분에는 강성이 조정 가능한 글리세롤 기반의 Ca-알긴산/폴리아크릴아미드(PAam)의 소자를 사용하였다. 일반적으로 Bridge 부에는 하이드로겔, 탄성중합체와 같은 물질들이 사용된다. 그리고 이들을 연결해주는 중앙부에는 단단한 발광 다이오드(LED) 램프 혹은 소프트 도체로 구성된 Island를 배치하여 Island-Bridge 구조를 형성한다. 이렇게 배치된 구조는 외부에 힘을 주어도 Island 구조는 거의 위치가 동등하게 있지만 Bridge 구조는 지속적으로 변형과 회복을 반복하면서 거동하게 된다.

Island-Bridge 구조 역시 상기 움직임과 변형에 대한 올바른 설계를 위해서는 사전에 구조적인 분석이 선행되어야만 한다. 몇몇 연구진들은 신축성 상호 연결(Interconnecting)의 동작을 일련의 스프링(Spring) 으로 설명하고 구조물의 기계적 반응에 대한 방정식을 도출하는 연구를 진행하였다.


Fig 5는 Island-Bridge 구조를 분석한 연구 결과의 모식도를 보여준다. Bridge 구조의 길이와 폭 혹은 Island 구조의 두께를 다양하게 변화시키면서 가해지는 Strain에 따른 변형 양상을 밝혀냈다. 이들은 실험 혹은 Numerical simulation을 기반으로 모델의 예측 가능성을 확보하였다. Bridge의 경우 가해지는 Strain에 대하여 Beam과 같은 거동을 한단 가정을 통해 고체 역학 기반의 지배방정식을 통하여 얼마나 Deflection이 발생하는지 기준점을 수식적으로 찾았다.

특히 Normalized 된 maximum deflection이 가해지는 Strain에 따라서 로그 형태로 증가하는 것을 보여주었다. Island의 경우 일반적으로 얇은 Plate를 사용하기 때문에 Classical plate theory를 기반으로 한 키르히호프 판을 가정하여 힘에 관련된 지배방정식을 세웠다. Plate 구조의 경우 수식적으로 매우 복잡한 거동을 보이기 때문에 FEM을 도입하여서 계산을 보충하였다. 본래의 신축성 디바이스들은 자체적인 신축적인 잉크 혹은 재료를 사용한다. 따라서 어떻게 생각해 보면 아일랜드 브리지 구조는 인쇄할 수 있는 신축성 장치의 설계 및 제작에 비하여 매력적이지 않을 수 있다.

하지만 오로지 신축성만으로는 달성될 수 없는 고감도, 전기적 안정성 및 기계적 견고성이 필요한 신축성 센서 및 에너지 저장 장치 개발에 있어서는 아일랜드 브리지 구조의 사용과 같은 추가 설계 및 제작 전략이 필요할 수 있다. 더 나아가서 신축성이 없는 기존의 잉크를 신축성 높은 애플리케이션에 적합하도록 수정하려면 상당한 시간과 노력이 필요하고 이로 인해 기존의 성능 역시 저하될 수 있다. 하지만 해당 구조와 같은 설계 전략을 취하면 비 신축 잉크 역시 수용 가능한 솔루션으로 선택받을 수 있다. 아일랜드 브리지 구조와는 굳이 특별한 재료를 도입하지 않아도 높은 신축성과 높은 성능을 모두 제공할 수 있기 때문이다.

그렇지만 Island-Bridge 구조 역시 신축성 전자 장치에 성공적으로 채택되기 위해서는 제조 기술과 관련된 몇 가지 특정 과제를 해결해야 한다. 단편적으로 Island-bridge의 신축성능은 결과적으로 Bridge에서 오는 것이다. Island 자체적으로는 Stiff 한 전극층이 탑재되기 때문이다. 따라서 전체적인 신축성이 Bridge의 신축성과 Island에 대한 비율에 의해 결정된다는 것이다.

내구성 역시 대두된다. Stretching 이외의 Twisting과 같은 Harsh 한 환경 속에서도 과연 해당 내구성이 확보가 되야 만한다. 따라서 신축성 전자 제품에서 해당 구조를 성공적으로 구현하려면 이러한 요소를 신중하게 고려해야 할 뿐만 아니라 필요한 요구 사항을 충족할 수 있는 적절한 재료와 인쇄 기술을 선택해야 한다. 형상 설계, 전극 재료와의 호환성, 물질과 기판 사이의 결합 등 모두 신중하게 고려되어야 한다.


기존의 Island-Bridge 구조를 제작하기 위해선 브릿지 구조와 I섬 구조를 독립적으로 제작하는 포토리소그래피 기술을 사용했다. 이어서 Island 영역에 기능성 물질을 증착한 뒤 이들 사이를 적합하여 결합한다. 그러나 이러한 제조 방법은 상당히 시간 소요가 많이 된다. Fig 6은 해당 구조물을 단일 패턴형태로 제작하여 한번에 제조하는 잉크 프린팅 공정을 보여준다. 이들은 다양한 잉크 재료 예를 들면, 상업용 카본 잉크, 프로이센 블루 잉크, 은/염화은(Ag/AgCl) 잉크 및 CNT 잉크를 포함한 다양한 신축성이 없는 잉크를 활용하여 브릿지-아일랜드 구조를 마치 하나의 패터닝 마스크를 활용해 인쇄하는 것을 보여주었다. 또한 상기 구조물들은 웨어러블 센서 및 바이오 센서에 부착되어 도파민, 글루코스 및 젖산 센서와 같은 신축성 전기 화학 시스템을 위한 플랫폼으로 사용되었다. 이러한 연구는 Island-bridge 구조의 제작 공정의 최적화 방법을 입증했다.

신장 가능한 구조와 기능성 재료를 단일 인쇄 플랫폼에 결합한 인쇄 전자 장치에서 아일랜드 브리지 구조의 사용에 대해 설명하였다. Island-Bridge 구조는 변형률 국소화 전략을 사용하 Bridge 구조에 신축성을 위임하여 매우 안정적인 장치 성능을 제공할 수 있다. 지금까지 신축성 기기의 구조적(Island bridge) 및 물질적(SWCNT/Hydrogel) 측면에 대해서 알아보았다. 신축성 장비의 핵심 기술은 그들의 기능성을 손상하지 않고 큰 변형을 견딜 수 있는 적절한 재료와 구조 설계를 선택하는 것이라고 생각한다. 신축성 전자 기기는 아직 현재 진행형이며, 해결해야할 과제들이 많다. 하지만 의료, 로봇 공학, 웨어러블 및 플렉서블 디스플레이를 포함한 다양한 애플리케이션으로 추세에 있어서 신축성 전자기기는 이제 필수적인 요소가 되어버렸다. 이러한 장치의 혁신적이고 역동적인 잠재력을 최대한 발휘하기 위해서는 새로운 기술 발전 시대를 이끌어내기 위한 공동의 지속적인 연구 노력을 요구한다.









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