최근 주목을 받고 있는 유연성/신축성 전극소재는 유연디스플레이, 센서, 유전탄성고분자 액추에이터 및 제너레이터, 스마트 수술도구 등과 같은 다양한 분야에서 활용이 가능하다. 유연성/신축성 전극소재는 다양한 형태의 기계적인 변형을 받게 되는데 이때 기계적인 변형에 맞춰 함께 변형될 뿐만 아니라 신축되어야 한다. 따라서 기계적 변형에서도 전극으로써 기능을 유지해야 하기 때문에 대단히 어려운 연구분야라 할 수 있다. 본 총설에서는 최근까지 연구된 유연성/신축성 전극소재의 제조와 특성을 소개하고자 한다.
최근 주목을 받고 있는 유연성/신축성 전극소재는 유연디스플레이, 센서, 유전탄성고분자 액추에이터 및 제너레이터, 스마트 수술도구 등과 같은 다양한 분야에서 활용이 가능하다. 유연성/신축성 전극소재는 다양한 형태의 기계적인 변형을 받게 되는데 이때 기계적인 변형에 맞춰 함께 변형될 뿐만 아니라 신축되어야 한다. 따라서 기계적 변형에서도 전극으로써 기능을 유지해야 하기 때문에 대단히 어려운 연구분야라 할 수 있다. 본 총설에서는 최근까지 연구된 유연성/신축성 전극소재의 제조와 특성을 소개하고자 한다.
Flexible/stretchable electronics have recently focused, since their applications extend to emerging flexible displays, sensors, dielectric elastomer actuator and generators, and smart surgical tools. Flexible/stretchable electrodes should be synchronized with employing mechanical deformations of eit...
Flexible/stretchable electronics have recently focused, since their applications extend to emerging flexible displays, sensors, dielectric elastomer actuator and generators, and smart surgical tools. Flexible/stretchable electrodes should be synchronized with employing mechanical deformations of either flexing or stretching modes. Thus, the research area is one of the tough subjects, since the electrodes should keep their basic functions of electrodes under various mode of mechanical deformations. In this review, we discuss the recent development in the preparation and properties of such flexible/stretchable electrodes.
Flexible/stretchable electronics have recently focused, since their applications extend to emerging flexible displays, sensors, dielectric elastomer actuator and generators, and smart surgical tools. Flexible/stretchable electrodes should be synchronized with employing mechanical deformations of either flexing or stretching modes. Thus, the research area is one of the tough subjects, since the electrodes should keep their basic functions of electrodes under various mode of mechanical deformations. In this review, we discuss the recent development in the preparation and properties of such flexible/stretchable electrodes.
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문제 정의
연질 재료로는 PDMS, 실리콘 고무, 아크릴고무들이 주로 사용되었으며, 전도성 물질로는 Au, Ag, Cu과 전도성이 높은 CNT 충전제가 많이 사용되었다. 본 특집에서는 유연성/신축성 전극을 제작하는 방법에 따라 금속코팅 된 연질기질을 이용하는 방법, 전도성 고분자복합체를 이용하는 방법, 연질기질의 주름 구조를 이용하는 방법, CNT forest를 이용하는 방법들에 대해 논의하였다. 금속코팅 된 연질기질을 이용하여 제작된 유연 전극의 경우, 전기 전도도는 매우 높으나 안정적인 전기 전도성을 유지할 수 있는 인장변형이 10-20%로 낮게 나타나며, CNT forest를 이용하여 제작된 유연 전극의 경우, 굽힘 변형 하에서는 안정적인 전기 전도성이 유지되나 최대 인장 변형은 10-20%로 낮게 나타났다.
26,28,29 이외에도 유연기질 표면에 CNT를 수직방향으로 성장시켜 CNT forest 구조를 형성하도록 하는 방법, 30,31 신축성을 가지고 있는 직물에 CNT를 코팅시키는 방법,32 전기 전도성이 매우 뛰어난 그래핀 페이퍼(graphene paper)를 이용하는 방법33등이 있다. 본 특집에서는 유연전자기기에 사용되는 유연전극을 소개하고 최근까지 연구된 다양한 유연전극 제작방법에 대해 논의하고자 한다.
대상 데이터
이때 전기 전도도는 50-100 S/cm로 어느 정도 높은 전도성을 나타냈다. Kozinda 연구그룹은 조금 다른 형태의 CNT forest를 이용하였다. 31 CVD를 이용하여 CNT forest를 만들고 이를 유연기질 위에 결합하여 유연전극을 제작하였는데 이 경우에는 CNT forest에 수직방향으로 압력을 가해 Figure 12b와 같이 휘어진 형태의 CNT forest를 제작하였다.
따라서 적은 양의 충전제로 높은 전도성을 갖는 고분자복합체를 얻기 위해서는 충전제의 분산성이 좋아야 한다. 전도성 고분자복합체의 충전제로 카본블랙, 41,42 카본 섬유, 43그라파이트,44,45 CNT46-49 등이 사용된다. 그러나 카본블랙과 카본 섬유의 경우는 전도성이 낮기 때문에 보통 전도성이 뛰어난 MWNT, SWNT, 그라파이트를 많이 사용한다.
성능/효과
EDL을 통하여 Ag 금속 입자들이 아크릴 고무 표면에 일정한 두께로 코팅되었으며, 10% 인장변형까지 안정적인 전기 전도성을 보였다. 금속성 이온 주입은 유연기질에 금속 이온을 주입시키는 방법으로 금속 층과 기질 사이에 금속-고분자 복합체가 형성되어 금속 층의 박리 문제가 개선 되었다.
본 특집에서는 유연성/신축성 전극을 제작하는 방법에 따라 금속코팅 된 연질기질을 이용하는 방법, 전도성 고분자복합체를 이용하는 방법, 연질기질의 주름 구조를 이용하는 방법, CNT forest를 이용하는 방법들에 대해 논의하였다. 금속코팅 된 연질기질을 이용하여 제작된 유연 전극의 경우, 전기 전도도는 매우 높으나 안정적인 전기 전도성을 유지할 수 있는 인장변형이 10-20%로 낮게 나타나며, CNT forest를 이용하여 제작된 유연 전극의 경우, 굽힘 변형 하에서는 안정적인 전기 전도성이 유지되나 최대 인장 변형은 10-20%로 낮게 나타났다. 반면, 전도성 고분자복합체와 연질기질의 주름 구조를 이용하여 제작된 유연 전극들은 100% 이상의 인장 변형 하에서도 안정적인 전기 전도성을 보였다.
단축 방향으로 10% 인장변형 시켰을 때 구리 섬유 전극의 경우는 저항 변화가 거의 없이 안정적인 전기적 성질을 보였으나 구리 필름 전극의 경우는 저항 값이 급격하게 증가하였으며 구리 나노섬유 전극보다 약 100배 정도 큰 저항 값을 나타냈다.35
위와 같이 유연기질에 금속을 코팅하여 제작된 유연전극들의 경우 높은 전기 전도성을 갖지만 안정적인 전기 전도성을 유지하는 최대 인장변형이 10-20%로 낮은 단점이 있다. 또한 반복적인 변형이 가해졌을 때 처음 변형 후의 저항 값은 매우 높았으나 변형횟수가 증가할수록 저항 값이 감소하는 경향을 보였다.6 이는 반복적인 변형이 가해지면서 금속 입자들이 연질 기질로 점점 침투하여 서로 얽히면서 재배열, 재조직되면서 변형에 영향을 받지 않는 침투망상구조를 형성하기 때문이다.
금속코팅 된 연질기질을 이용하여 제작된 유연 전극의 경우, 전기 전도도는 매우 높으나 안정적인 전기 전도성을 유지할 수 있는 인장변형이 10-20%로 낮게 나타나며, CNT forest를 이용하여 제작된 유연 전극의 경우, 굽힘 변형 하에서는 안정적인 전기 전도성이 유지되나 최대 인장 변형은 10-20%로 낮게 나타났다. 반면, 전도성 고분자복합체와 연질기질의 주름 구조를 이용하여 제작된 유연 전극들은 100% 이상의 인장 변형 하에서도 안정적인 전기 전도성을 보였다. 특히 연질기질의 주름 구조에 금속을 코팅하여 제작된 유연 전극들은 매우 높은 전기 전도도를 갖을 뿐만 아니라 높은 인장변형에서의 전기적 안정성도 뛰어며, 주름 구조에 따라 다양한 패턴의 전극을 제작할 수 있기 때문에 연질기질과 금속 층의 박리 문제만 잘 해결된다면 뛰어난 성능을 갖는 유연성/신축성 전극이 제작될 수 있을 것이라 생각된다.
7 UV를 통해서 Ag의 금속전구체가 환원되고 겔화(gelation)가 일어나면서 주름 구조 형태로 패터닝 된 PEG/Ag 전극이 생성되며 이 전극을 새로운 연질 재료에 부착시키면 유연전극이 만들어진다(그림 9(c)). 이 때 등방형 주름 구조로 패터닝 된 전극보다 지그재그 주름 구조로 패터닝 된 전극이 더 높은 변형까지 안정적인 전기적 성질을 나타냈으며 지그재그로 패터닝 된 전극을 새로운 연질기질 표면에 재배열하였을 때 40%의 이축인장변형까지 안정적인 전기적 성질을 나타냈다.
이렇게 제작된 전극은 CNT forest와 PU의 구조가 Figure 13과 같이 아코디언과 같은 구조를 나타내며 유연성을 갖게 되는 것이다. 이 전극은 10-20%의 인장변형에서 안정적인 전기적 성질을 나타냈으며 반복적인 밴딩 및 트위스팅 변형에서도 안정적인 전기적 성질을 보였다. 이때 전기 전도도는 50-100 S/cm로 어느 정도 높은 전도성을 나타냈다.
후속연구
반면, 전도성 고분자복합체와 연질기질의 주름 구조를 이용하여 제작된 유연 전극들은 100% 이상의 인장 변형 하에서도 안정적인 전기 전도성을 보였다. 특히 연질기질의 주름 구조에 금속을 코팅하여 제작된 유연 전극들은 매우 높은 전기 전도도를 갖을 뿐만 아니라 높은 인장변형에서의 전기적 안정성도 뛰어며, 주름 구조에 따라 다양한 패턴의 전극을 제작할 수 있기 때문에 연질기질과 금속 층의 박리 문제만 잘 해결된다면 뛰어난 성능을 갖는 유연성/신축성 전극이 제작될 수 있을 것이라 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
유연성/신축성 전극 제작방법이란 무엇인가?
그러나 금속 필름을 사용했을 때보다 전기 전도성이 비교적 낮은 단점이 있다. 최근 많은 연구가 진행되고 있는 유연성/신축성 전극 제작방법은 유연기질을 예비변형 시킨 후 그 표면에 얇은 금속 필름이나 리본, CNT 등을 접합시킨 후 가해준 예비변형을 제거하였을 때 표면에 생성되는 금속 패턴이나 주름 구조를 이용하는 방법이다. 이렇게 제작된 전극은 주름 구조에 의해 높은 변형 하에서도 안정적인 전기적 성질을 나타내며 반복적인 변형 하에서도전기 전도성이 저하되지 않는다.
유연전극은 어떠한 특징을 가지는가?
11,12 또 다른 방법으로 전기 전도성이 높은 금속이나 카본블랙, CNT, 그라파이트 (graphite) 등을 연질 재료들과 혼합하여 전도성 복합체를 이용 하면 금속 층과 유연기질 사이의 박리문제를 해결할 수 있다.13-18 이러한 유연전극은 100% 이상의 인장변형에서도 안정적인 전기적 성질을 보였다. 그러나 금속 필름을 사용했을 때보다 전기 전도성이 비교적 낮은 단점이 있다. 최근 많은 연구가 진행되고 있는 유연성/신축성 전극 제작방법은 유연기질을 예비변형 시킨 후 그 표면에 얇은 금속 필름이나 리본, CNT 등을 접합시킨 후 가해준 예비변형을 제거하였을 때 표면에 생성되는 금속 패턴이나 주름 구조를 이용하는 방법이다.
유연성/신축성 전극 제작방법으로 인해 제작된 전극은 어떠한 장점을 가지고 있는가?
최근 많은 연구가 진행되고 있는 유연성/신축성 전극 제작방법은 유연기질을 예비변형 시킨 후 그 표면에 얇은 금속 필름이나 리본, CNT 등을 접합시킨 후 가해준 예비변형을 제거하였을 때 표면에 생성되는 금속 패턴이나 주름 구조를 이용하는 방법이다. 이렇게 제작된 전극은 주름 구조에 의해 높은 변형 하에서도 안정적인 전기적 성질을 나타내며 반복적인 변형 하에서도전기 전도성이 저하되지 않는다. 7,19-27 S 형태나 Z 형태의 금속 패턴을 이용하였을 경우, 약 60%의 인장변형까지 전기 전도 성의 저하 없이 사용이 가능하며, 주름 구조를 이용하였을 경우, 최대 300% 인장변형까지 안정적인 전기적 성질을 나타낸다.
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