[논문]신축성 전극 기술 동향

박종화; 고현협

신축성 전극 기술 동향 원문보기

인포메이션 디스플레이 = Information display, v.14 no.4, 2013년, pp.2 - 10

박종화 (울산과학기술대학교 나노생명화학공학부) , 고현협 (울산과학기술대학교 나노생명화학공학부)

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AI 본문요약
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문제 정의

이와 같이 기계적 변형에 일정한 전도성 유지를 요하는 응용 분야 이외에도 신축성 전극은 기계적 변형에 전기 저항이 바뀌는 특성을 이용하여 촉각 감지 필름으로의 응용이 가능한데, 인공 전자피부, 촉각센서, 인공보철, 로보틱스 분야에 응용될 수 있다. 본 기고문에서는 기계적 변형에 따라서 전도성을 유지하는 신축성 전극과 변형에 따라 민감하게 전도성이 바뀌는 압력감지 필름 개발 연구에 있어서 전도성 소재 및 응용에 대한 최신 연구동 향을 분석하였으며, 특히 탄소나노튜브, 그래핀, 금속 나노와이어, 하이브리드 나노구조 기반의 전도성 소재의 최신 연구 동향을 기술하고자 한다.
본 기고문에서는 신축성 전극 소재 및 응용에 대한 최신 연구동향을 살펴보았다. 특히, 다양한 기계적 변형에도 일정한 전기전도성을 나타내는 신축성 전극과 이와는 반대로 기계적 변형에 따라 전기저항 특성이 바뀌는 압력 감지 필름 개발 연구에 최신 연구동향을 분석하였다.

제안 방법

기존의 압력 감지 필름은 카본 블랙,^[24]흑연 파우더^[25]와 같은 탄소 입자들과 탄성이 있는 고무에 혼합시켜서 제작하였다. 이와 같은 압력 감지 필름은 압력이 가해짐에 따라 매트릭스 안의 전도성 필러의 배열이 바뀌게 되고 전류가 흐를 수 있는 통로가 형성되면서 저항이 바뀌는 특성을 가진다.
본 기고문에서는 신축성 전극 소재 및 응용에 대한 최신 연구동향을 살펴보았다. 특히, 다양한 기계적 변형에도 일정한 전기전도성을 나타내는 신축성 전극과 이와는 반대로 기계적 변형에 따라 전기저항 특성이 바뀌는 압력 감지 필름 개발 연구에 최신 연구동향을 분석하였다. 신축성 전극과 압력감지 필름이 공통적으로 가지고 있는 특성은 신축성과 전도성인데, 이런 특성을 동시에 만족시키기 위한 소재로는 탄소나노튜브, 그래핀, 금속 나노와이어, 하이브리드 나노구조 기반의 전도성 소재가 많이 쓰이고 있다.

대상 데이터

탄소나노튜브 기반의 신축성 전극 및 디스플레이 소자 응용. (a) 탄성체 내부의 일정한 간격의 패턴을 가진 단 일벽 탄소나노튜브/플루오르화 공중합체로 이루어진 유연 전도성 복합 소재. (b) 탄소나노튜브 필러의 양에 따른 신축성 및 전기전도도의 변화.

성능/효과

예를 들면, 화학기상 증착법에 의해 수직방향으로 잘 정렬된 리본 형태의 탄소나노튜브 어레이를 먼저 합성한 다음 리본 형태의 탄 소나노튜브 필름을 탄성이 있는 기판 위에 전사해서 신축성 전극을 제조하는 연구가 보고되고 있다(그림 3(a)).^[9] 이렇게 제조된 신축성 전극의 인장력에 따른 전기적 저 항의 변화를 살펴보면 (그림 3(b)), 첫 인장테스트에서는 인장력이 증가함에 따라 저항이 증가하지만 두 번째 인장테스트부터는 인장에 따른 전도성이 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있다. 이는 신축성 전극의 인장에 의해 전극 내부의 탄소나노튜브가 인장축 방향으로 배열됨에 따라 처음에는 저항의 감소가 일어나지만 재배열된 이후에는 저항이 일정하게 유지된다.
^[18]이러한 주름구조를 갖는 탄소나노튜브 필름은 평평한 필름에 비해 높은 신축성을 갖는다. 그림 5(b)에서보이듯이 평평한 구조의 탄소나노튜브 필름은 10%이상의 인장율에서 저항이 급격히 높아지는 경향을 보이는 반면, 주름구조의 탄소나 노튜브 필름은 50-60%의 인장율에서도 일정한 저항값을 유지하는 것을 확인할 수 있다. 탄소나노튜브 이외에도 높은 전기전도성, 투명성을 지닌 2차원 구조의 그래핀 또한 주름구조로 제작하여 신축성 전극으로 이용되고 있다.

후속연구

신축성 전극과 압력감지 필름이 공통적으로 가지고 있는 특성은 신축성과 전도성인데, 이런 특성을 동시에 만족시키기 위한 소재로는 탄소나노튜브, 그래핀, 금속 나노와이어, 하이브리드 나노구조 기반의 전도성 소재가 많이 쓰이고 있다. 신축성과 전도성을 가지는 전극 및 필름은 앞으로 디스플레이, 태양전지, 착용 가능한 전자소자, 인공 전자 피부, 로보틱스 등의 응용 분야에 중요한 기술로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	신축성 전극의 장점은?	신축성 전극은 기계적 변형에도 일정한 전기전도성을 유지하면서 움직이는 부분 및 임의의 표면에 부착될 수 있는 장점을 지니고 있기 때문에 디스플레이, 태양전지, 착 용 가능한 전자소자, 인공 의용소자 등의 분야에 응용이 가능하다. 이와 같이 기계적 변형에 일정한 전도성 유지를 요하는 응용 분야 이외에도 신축성 전극은 기계적 변형에 전기 저항이 바뀌는 특성을 이용하여 촉각 감지 필름으로의 응용이 가능한데, 인공 전자피부, 촉각센서, 인공보철, 로보틱스 분야에 응용될 수 있다.
	전도성 필러와 탄성 물질의 복합화를 통한 전도성 복합소재의 장점은?	나노소재 신축성 전극 개발을 위한 초기연구는 금속 나노입자,[7] 탄소나노튜브,[8-10] 탄소 나노입자[11]와 같은 전기 전도도를 가진 전도성 필러와 높은 탄성 특성을 가지는 고무의 복합화에 의해 제작된 전도성 복합소재를 기반으로 구현하였다. 이와 같은 전도성 필러와 탄성 물질의 복합화를 통한 유연 복합 소재는 제작과 취급의 용이성, 높은 신축성을 가지는 장점을 가지고 있다. 그러나 높은 전기전도성을 위해 전도성 필러의 양이 증가함에 따라 신축성이 저하되는 문제점으로 인해 적당한 필러의 농도 및 분산 특성을 조절하는 것이 고성능 신축성 전극 제조에 중요한 요소이다.
	플렉서블 전자소자는 무엇을 가능케 하였는가?	플렉서블 전자소자는 기존의 무기물 기반 반도체의 딱딱하고 부서지기 쉬운 전자소자의 한계를 극복하고, 최근 주목받고 있는 사람의 피부 혹은 굴곡진 부분에 부착하거나 휴대가 간편한 디스플레이, 태양전지, 인공전 자피부로서의 응용을 가능하게 하여 관련 소재 및 소자의 기술개발 필요성이 증대되고 있다. 구부릴 수 있고 늘릴 수 있는 전자소자를 구현하기 위해서 최근 외부에서 작용하는 힘과 소자에 가해지는 스트레인에 호환되면서 소자의 성능을 유지할 수 있도록 소자의 능동 및 수동적 구성요소를 새롭게 디자인하는 많은 방법들이 연구되고 있다.

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