거친 표면에도 전극 인쇄…유연한 전사 프린팅 기술 개발

[아이뉴스24 최상국 기자] 울퉁불퉁하고 불규칙적인 형태의 기판 위에도 고성능 센서를 손쉽게 전사할 수 있는 기술이 개발됐다. 스마트워치, 피트니스 밴드 등 몸에 착용하거나 피부에 부착하는 형태의 다양한 웨어러블 기기 제작에 기여할 것으로 보인다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 스핀융합연구단 이현정 박사팀은 하이드로젤과 나노 잉크 소재를 이용해 다양한 형태와 구조를 갖는 유연(플렉서블)기판에 고성능 센서를 손쉽게 구현할 수 있는 전사 프린팅(Transfer-Printing) 기술을 개발했다고 밝혔다.

전사 프린팅은 피부에 붙였다 떼면 그림이 옮겨지는 판박이 스티커같은 기술이다. 열이나 화학반응에 취약한 기판 위에 소자를 만들 때 생길 수 있는 공정상의 여러 어려움을 피할 수 있어 플렉서블 소자의 제조에 널리 활용되고 있다. 하지만 지금까지 개발된 전사 프린팅공정은 주로 평평한 기판을 대상으로 적용했다.

연구팀은 표면의 특성이 다양한 유연 기판 위에 고성능 유연 센서를 전사하기 위해 하이드로젤을 전사기판으로 활용했다. 여기에 나노잉크를 인쇄하고 이를 몰딩이 가능한 고분자 용액으로 굳히는 방법을 사용했다.

하이드로젤은 물을 품고 있는 젤리 형태의 다공성 고분자 소재다. 나노잉크는 전도성 나노소재인 단겹탄소나노튜브를 물에 분산시켜 만들었다. 나노잉크를 하이드로젤 표면에 잉크젯으로 인쇄해 원하는 모양의 전극 패턴을 구현하면 이 과정에서 나노잉크를 만드는 데 사용한 계면활성제와 물은 하이드로젤의 기공을 통해 빠져나가고 표면에는 단겹탄소나노튜브만 남아 고순도 나노전극을 형성하게 된다.

이렇게 형성된 전극은 물을 싫어하는 소수성을 가지며, 친수성인 하이드로젤 표면에서 쉽게 뗄 수 있기 때문에 최종기판에 접촉하면 손쉽게 전사가 일어나게 된다.

연구팀은 특히 몰딩이 가능한 고분자 용액을 하이드로젤 상에서 굳히는 방법을 통해 나노전극을 전사하는 기술을 개발, 거친 표면을 지닌 유연 기판에도 손쉽게 유연 전극을 형성할 수 있었다. 나노 전극을 실험용 장갑 위에 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 것으로, 디지털 헬스케어, 지능형 인간-기계 인터페이스, 의공학, 차세대 전자소자 분야 등 다양한 분야에 활용 가능할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 지원을 받은 KIST 영 펠로우 사업과 바이오의료기술개발사업, 나노원천기술개발사업 등을 통해 수행됐으며, 연구결과는 나노분야 국제 저널인 ‘나노 레터스’ 최신호에 게재됐다. (논문명 : Hydrogel-Templated Transfer-Printing of Conductive Nanonetworks for Wearable Sensors on Topographic Flexible Substrates. 제1저자 : KIST 강태형 박사후연구원)