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조진한 교수 연구팀, 금속 같은 전도성과 고무 같은 신축성 지닌 대뇌피질 형태 신축성 전극 개발... 차세대 전자기기 개발에 큰 이바지 ‘기대’
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｜2023.09.18
▲ (왼쪽부터) 공과대학 화공생명공학과 조진한 교수(교신저자), 박문규 석사과정(제1저자)
고려대학교 공과대학(학장 이해근) 화공생명공학과 조진한 교수 연구팀은 높은 전기전도성과 표면적, 기계적 안정성을 동시에 지닌 대뇌피질 형태의 표면을 가진 신축성 전극 개발에 성공했다. 또, 제작 신축성 전극을 마찰 전극으로 활용해 고성능 마찰전기 발전소자(triboelectric nanogenerator)를 개발했다.
웨어러블 기기, 전자 피부와 같은 차세대 유연성 전자기기들의 개발을 위해서는 높은 전기전도성 및 표면적, 그리고 좋은 기계 안정성을 갖는 신축성 전극 제작이 필수적이기에, 우수한 기계적 물성을 갖는 탄성체 소재 위 전도성 물질을 단순 코딩 혹은 진공증착 하는 방식으로 신축성 전극을 제작하는 연구가 이루어지고 있었다.
그러나, 기존 연구들에 사용되는 전도성 물질들은 본질적으로 낮은 전기전도성을 띠며, 입자 표면을 둘러쌓은 절연성 물질로 인해 높은 접촉 저항(contact resistance)을 갖고, 전도성 물질과 탄성체 간의 낮은 결합력으로 인해 전극 표면에서 전도성 물질이 쉽게 탈착된다는 문제점이 있다. 따라서 신축성 전극의 상용화를 위해 높은 전도성과 기계적 안정성을 동시에 구현한 전극제작이 필요하다.
이에 조 교수 연구팀은 대뇌피질과 같은 표면 미세구조를 가지며, 금속과 같은 전도성 및 탄성체와 같은 신축성을 지닌 전극 개발에 성공했다.
▲ 대뇌피질 형태의 표면 미세구조를 갖는 신축성 전극제작 모식도
이를 구현하기 위해 유기용매 상에서 팽창된 탄성체 계면 위, 금속 나노입자의 강한 화학적 결합을 유도한 후, 알코올 상에서 강한 수축을 유발하여 대뇌피질과 같은 주름 구조의 탄성체 전도체를 제작했다. 이후, 제작한 전도체 위에 전기도금을 진행하여 매우 얇은 니켈층을 코팅했다.
이처럼 제작된 전극은 금속과 같은 전도성을 가지며, 금속 나노입자 조립 과정에서 생긴 미세구조로 인해 미세구조가 없는 평판 전극보다 약 12배가량 향상된 표면적을 보였다. 전극의 표면적이 넓으면 접촉 면적이 넓어진다는 장점이 있어, 마찰전기 발전소자에 활용 시 높은 성능을 보일 수 있다.
추가로, 연구팀이 제작한 전극은 기계적 물성이 떨어지는 니켈로 도금했음에도 불구하고 탄성체 소재 고유의 높은 유연성 및 신축성을 유지했으며, 기존 상용화된 스퍼터링(sputtering)* 방식으로 제작한 전극과 비교했을 때, 매우 높은 기계적 안정성을 보이는 것을 확인했다.
* 스퍼터링 (sputtering): 진공증착법의 일종. 진공상태에서 이온화된 가스를 가속해 금속 타깃과 충돌하여 금속 원자를 분출한 후, 분출된 금속 원자로 기판에 금속 박막을 코팅하는 기술.
특히, 전극 표면을 강한 힘으로 20,000번 이상 압축을 가하더라도 전극의 전도성을 유지하며, 압축 이후에도 표면 미세구조가 변하지 않는 등 우수한 기계적 물성을 지닌 것으로 확인했다. 연구팀은 제작한 전극의 높은 표면적 및 뛰어난 기계적 물성을 기반으로 마찰전기 발전소자로 적용하여 높은 전력 밀도의 에너지를 생산할 수 있었다.
연구를 주도한 박 연구원은 “우리가 제안한 탄성체 기반 전극은 다양한 활물질을 코팅할 수 있어 높은 표면적을 갖는 신축성 전극이 필요한 모든 분야에 응용 가능한 플랫폼 기술”이라고 강조했다.
이어 조 교수는 “신축성 전극의 상용화에 걸림돌이 되는 한계점인 기계적 안정성 및 전기전도성을 동시에 극복했으며, 이를 통해 차세대 전자기기 개발에 크게 이바지할 수 있을 것”이라고 기대했다.
한편, 본 연구성과는 나노과학/기술 분야의 권위 학술지인 나노 에너지(Nano Energy, IF=17.5)에 8월 26일자 온라인 게재됐다. /공과대학신
