전자·전파공학과 홍영기·김선국 교수 연구팀, 고성능 유연전자소자 개발
<어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈> 3월호 표지논문 발표

‘입는 스마트기기’는 의류, 안경, 신발을 넘어 생체정보를 측정하는 전자피부 등 다양한 형태로 진화하고 있다. ‘입는 스마트기기’의 관건은 고성능 유연전자소자다. 한 방향으로 구부렸다 폈다 하는 것을 넘어 구겼다가 펴거나, 당기거나, 비틀 때도 안정적이며 높은 성능을 유지해야 한다.

전자·전파공학과 홍영기, 김선국 교수 연구팀이 미국 버클리대 그리고로포울로스(Grigoropoulos) 교수 연구팀과 공동연구를 통해 다양한 자극에도 성능 변화가 없는 유연전자소자와 공정 기술을 개발했다. 연구결과는 <어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)> 3월호 표지논문으로 게재됐다.

“구부렸다 펴는 등 기계적 자극 실험에서도 성능 변화 거의 없어”
홍영기, 김선국 교수는 웨어러블 기기와 휘어지는 디스플레이 등을 개발하기 위해 투명하면서 유연한 특성을 갖는 기능성 전자소자를 연구해왔다. 두 교수는 2차원 나노판상 구조를 가지는 이황화몰리브덴(MoS₂)에 주목했다. 이황화몰리브덴이 전자소자의 동작 속도를 좌우하는 전자이동도가 높기 때문이다. 연구팀은 이황화몰리브덴과 그물망 구조의 은 나노선(Nanowire)을 활용해 고성능 유연전자소자를 구현해냈다.

연구팀은 어느 방향에서 자극이 가해져도 유연함을 유지하는 특성을 위해 부직포와 같은 구조를 떠올렸다. 투명 플라스틱인 폴리아미드(Polyimide)를 액상 상태로 활용해 은 나노선을 불규칙적으로 얽히게 만들었다. 홍영기 교수는 “그물망 구조로 만든 유연전자소자가 기존의 금속 박막트랜지스터보다 월등한 이동도를 보였다. 기계적 자극을 가하는 실험에서도 성능 변화가 거의 없어 차세대 유연전자소자를 구현하기 위한 핵심 반도체 소자로 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.  

모바일 헬스케어 웨어러블 기기 등에 활용 가능
연구팀은 소자와 함께 상용화를 위한 공정도 개발했다. 500도 이상의 고온 공정을 거쳐야 하는 기존 공정을 그대로 활용하면서 새로운 공정을 개발했다. 기계적 자극과 열에 잘 견디는 폴리아미드를 액상 상태로 활용해 필요한 형태를 만들어내면서 500도의 고온 공정에서도 성능이 유지될 수 있도록 했다. 홍영기 교수는 “이번에 개발한 공정은 다양한 물질에 적용이 가능해 활용범위가 넓다”고 말했다. 

김선국 교수는 “이번 연구를 통해 고성능 유연전자소자 구현을 위한 새로운 소재 및 공정 기술의 성공적 개발을 통해 웨어러블 기기의 핵심 원천기술을 확보했다”라고 말했다. 연구팀이 개발한 기술은 인체에 적용되는 모바일 헬스케어 웨어러블 기기뿐만 아니라, 건축 구조물의 안정성 확보와 자산가치 향상의 정보통신기술(ICT) 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 지원하는 선도연구센터지원사업, 바이오의료기술개발사업을 통해 수행됐다.