국내 연구진, 울퉁불퉁한 표면에도 구현 가능한 플렉서블 센서 기술 개발

[이데일리 이연호 기자] 국내 연구진이 울퉁불퉁한 표면에도 구현 가능한 플렉서블 센서 기술을 개발했다. 다양한 형태의 차세대 웨어러블 기기에 활용될 수 있을 것으로 보인다.

(a) 하이드로젤을 이용한 전사 프린팅 공정의 모식도. SWNT(single-walled carbon nanotubes, 단겹탄소나노튜브): 본 연구에서 사용한 나노전극 소재. (b) 전사 프린팅 공정으로 제조된 스트레인 센서로 엄지, 검지, 중지의 모션을 모니터링한 결과. (상단) 측정에 사용한 손가락 모션의 사진. (c) 전사 프린팅 공정으로 제조된 유연압력센서로 측정한 맥박의 신호. 그래픽=KIST. (우측상단) 측정에 사용한 센서의 실제 사진.

한국과학기술연구원(KIST)은 스핀융합연구단 이현정 박사팀이 하이드로젤과 나노 잉크 소재를 이용해 다양한 형태와 구조의 유연기판에 고성능 센서를 손쉽게 만들 수 있는 전사 프린팅(Transfer-Printing) 기술을 개발했다고 18일 밝혔다.

하이드로젤(Hydrogel)은 용매가 물이거나 물이 기본 성분으로 들어 있는 젤리 모양의 물질이다. 전사 프린팅(Transfer-Printing) 공정은 전사기판에 만든 전극을 최종기판에 옮김으로써 소자를 제조하는 공정을 말한다.

최근 스마트워치, 피트니스 밴드 등 웨어러블 기기들에 대한 관심이 빠르게 증가하고 있다. 특히 착용하는 형태의 웨어러블 기기에서 피부에 붙이는 형태의 웨어러블 기기로 기술의 영역이 확장됨에 따라 고성능 센서를 다양한 형태와 종류의 기판에 구현할 수 있는 기술에 대한 요구가 늘어나고 있다.

전사 프린팅 공정은 피부에 붙였다 떼면 그림이 옮겨지는 판박이 스티커처럼 프린트할 제품을 미리 만들어 놓고 옮길 수 있는 공정으로 열적 혹은 화학적으로 취약한 기판 위에 소자를 만드는 데 생길 수 있는 공정상의 여러 어려움을 피할 수 있다는 장점이 있어 플렉서블 소자의 제조에 널리 활용되고 있다. 하지만 지금까지 개발된 전사 프린팅 공정은 주로 최종기판이 평평할 때에만 적용이 가능한 단점이 있었다.

KIST 이현정 박사팀은 이런 한계를 극복하고 다양한 표면 거칠기 및 특성을 지닌 유연 기판 상에 고성능 유연 센서를 형성할 수 있는 쉽고 간단한 전사 프린팅 공정기술을 개발했다.

KIST 연구진은 하이드로젤 소재가 다공성이면서 친수성인 점에 착안해 수용액 기반 나노소재 잉크를 기판 형태로 굳힌 하이드로젤 표면에 인쇄하면 인쇄된 잉크 중 계면활성제와 물은 하이드로젤의 구멍을 통해 빠르게 빠져나가고 구멍보다 크면서 소수성 특성을 지닌 나노 소재만 하이드로젤 표면에 남겨 원하는 패턴의 전극을 형성했다.

이때 프린팅 되는 나노 잉크의 양이 적어 전극 형성 속도가 매우 빨라 나노전극의 구조가 균일하며 순도가 높아 전기적 특성이 뛰어났다. 또 나노 소재의 소수성 특성으로 인해 하이드로젤과의 상호 작용력이 매우 낮아 전극이 다양한 기판에 손쉽게 전사됐다.

특히 몰딩이 가능한 고분자 용액을 하이드로젤 상에서 굳히는 방법을 통해서 나노전극을 전사하는 기술을 개발해 거친 표면을 지닌 유연 기판 상에도 손쉽게 유연 전극을 형성했다. 나노 전극을 실험용 장갑 상에 바로 전사해 손가락의 움직임을 감지할 수 있는 변형 센서를 제작했으며 맥박을 측정할 수 있는 고성능 유연 압력 센서도 구현했다.

KIST 이현정 박사는 “이번 성과는 고성능 유연 센서를 다양한 특성과 구조를 지닌 기판에 손쉽게 구현하는 새로운 방법을 제시한 것”이라며 “추후 디지털 헬스케어, 지능형 인간-기계 인터페이스, 의공학, 차세대 전자소자 분야 등 유연 기판 혹은 비전통적 기판 소재 상에 집적화된 고성능 소자 구현을 필요로 하는 다양한 분야에 활용 가능할 것으로 기대한다”고 말했다.

이 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 영 펠로(Young Fellow) 사업과 바이오의료기술개발사업, 나노원천기술개발사업 등을 통해 수행됐으며 연구 결과는 나노분야 국제 저널인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 최신호에 게재됐다.