울퉁불퉁해도 판박이 스티커처럼, 플렉시블 센서 개발

KIST 연구팀, 하이드로젤 및 나노 잉크 소재 이용
'전사 프린팅' 기술…차세대 웨어러블 기기 활용 기대
국내 연구진이 하이드로젤과 나노 잉크 소재를 이용해 울퉁불퉁한 표면에도 고성능 센서를 구현하는데 성공, 웨어러블 기기에 활용 할 수 있을 전망이다.

KIST(한국과학기술연구원·원장 이병권)는 이현정 스핀융합연구단 박사팀이 다양한 형태·구조의 유연기판에 고성능 웨어러블 센서를 만들 수 있는 전사 프린팅(Transfer-Printing) 기술을 개발했다고 18일 밝혔다.

KIST 스핀융합연구단 이현정·강태형 박사팀에서 제작한 하이드로젤 위에 나노잉크 소재를 이용한 제작한 전극의 실물 <사진=KIST 제공>KIST 스핀융합연구단 이현정·강태형 박사팀에서 제작한 하이드로젤 위에 나노잉크 소재를 이용한 제작한 전극의 실물 <사진=KIST 제공>

전사 프린팅 공정은 피부에 붙였다 떼면 그림이 옮겨지는 판박이 스티커처럼 프린트할 제품을 만들어 놓고 옮길 수 있는 공정이다. 전사 기판에 만든 전극을 최종 기판에 옮겨 소자를 제조하는 공정을 말한다. 열적·화학적으로 취약한 기판 위에 소자를 만들 때 생길 수 있는 공정상의 어려움을 피할 수 있어, 플렉시블 소자 제조에 활용된다.

하지만 기존의 전사 프린팅 공정은 주로 최종 기판이 평평할 때만 적용이 가능했다. 거친 표면의 기판에는 전사 효율이 낮은 단점이 있었다.

KIST 스핀융합연구단 연구원이 개발한 전사 프린팅 기술로 하이드로젤(하단) 위의 전극을 PET 필름(상단)에 손쉽게 옮기고 있다. <사진=KIST 제공>KIST 스핀융합연구단 연구원이 개발한 전사 프린팅 기술로 하이드로젤(하단) 위의 전극을 PET 필름(상단)에 손쉽게 옮기고 있다. <사진=KIST 제공>

연구팀은 하이드로젤 소재가 다공성이자 물과 친하다는 점에 착안했다. 계면활성제를 이용한 수용액 기반 나노소재 잉크를 기판 형태로 굳힌 하이드로젤 표면에 인쇄했다. 그 결과 계면활성제와  물은 다공성의 하이드로젤 구멍으로 빠져나가고 물과 친하지 않은 소수성의 나노소재만 하이드로젤 표면에 남아 원하는 패턴의 전극 형성이 가능했다.

이때 프린팅되는 나노 잉크의 양이 적어 전극 형성 속도가 빠르기 때문에, 나노 전극의 구조가 균일하고 순도가 높아 전기적 특성이 뛰어났다. 또한 소수성의 나노소재는 친수성인 하이드로젤과 상호 작용력이 낮아, 다양한 기판에서 손쉽게 전극이 전사됐다.

특히 몰딩이 가능한 고분자 용액을 하이드로젤 상에서 굳히는 방법으로 나노 전극을 전사하는 기술을 개발해, 거친 표면의 유연기판 상에도 유연전극을 형성했다. 연구팀은 나노 전극을 실험용 장갑에 바로 전사, 손가락의 움직임을 감지할 수 있는 변형 센서를 제작하는데 성공했다. 또 맥막을 측정할 수 있는 고성능 유연 압력센서도 구현했다.

이현정 KIST 박사는 "이번 성과는 고성능 유연 센서를 다양한 특성과 구조를 지닌 기판에 구현하는 새로운 방법을 제시한 것"이라고 하며 "추후 디지털 헬스케어, 지능형 인간-기계 인터페이스, 의공학, 차세대 전자소자 분야 등 유연기판이나 비전통적 기판소재 상에 집적화된 고성능 소자 구현을 필요로 하는 다양한 분야에 활용 가능할 것으로 기대된다"라고 설명했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST Young Fellow 사업, 바이오의료기술개발사업, 나노원천기술개발사업 등을 통해 수행됐으며, 연구결과는 나노분야 국제 저널 'Nano Letters' 최신호에 게재됐다.

KIST 스핀융합연구단 연구원이 개발한 전사 프린팅 기술로 실험용 장갑 위에 고성능 센서를 구현하여 손가락 움직임을 감지하는 실험을 하고 있다. <사진=KIST 제공>KIST 스핀융합연구단 연구원이 개발한 전사 프린팅 기술로 실험용 장갑 위에 고성능 센서를 구현하여 손가락 움직임을 감지하는 실험을 하고 있다. <사진=KIST 제공>
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