첨단과학 술과기존소재를이용한복합형스트레처블전극기술을 중점으로연구동향을살펴보려한다. 2. 스트레처블기판 (Stretchable substrate) 기술 [Fig. 2] Applications of stretchable electronics including stretch

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정남 유
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차세대스트레처블전극의기술개발동향 https://doi.org/10.5757/vacmac.4.2.

bio-integrated devices, and stretchable electronics. Stretchable electronics is new emerging class of electronics following flexible electronics.

1 차세대스트레처블전극의기술개발동향 이상목, 임지은, 김한기 Technical trend of stretchable electrodes Sang-Mok Lee, Ji-Eun Lim, Han-Ki Kim This article reviews technical trend in research of stretchable electrodes for wearable devices, bio-integrated devices, and stretchable electronics. Stretchable electronics is new emerging class of electronics following flexible electronics. One of the most difficult challenges in the development of stretchable electronic is to realize high performance stretchable electrodes with a low resistivity and high strain failure and stretchability against severe strain of the substrate. For this reason, there are many reports on the promising stretchable electrodes including CNT, graphene, Ag nanowire, and composite materials. We outline the recent research for stretchable substrate and stretchable electrode materials to realize highly stretchable electrodes. 1. 스트레처블소자기술의도래 발전하였고, 이러한유연소자기술은늘어나는기판에서도작동하는스트레처블전자소자라는새로운분야를창출하였다. 스트레처블전자소자는늘어나는기판상에기존광전소자를제작하여기판이줄어들거나늘어남에도작동이가능하기때문에다양한응용분야의창출이가능하며, 최근웨어러블전자소자나전자피부, 사물인터텟 (IoT), 차량용전자소자, 지능형 (AI) 로봇구현을위한핵심부품소재로활발한연구가진행중에있다. 뿐만아니라스트레처블소자는그림 2에나타내듯이스트레처블디스플레이, 스트레처블태양전지, 스트레처블전지 / 에너지하베스트, 스트레처블전자소자및전자피부등에응용이가능하며, 이를구현하기위한스트레처블기판, 스트레처블전극, 스트레처블소자, 스트레처블보호필름등의기술이국내외적으로개발중에있다. 신축형전자소자일명스트레처블소자 (Stretchable devices) 는기판을늘리거나심각한굽힘에도소자의특성을잃지않고작동하며, 외력을제거하더라도소자의특성을유지할수있는차세대전자소자이다. 그림 1에나타내듯이유리기판을근간으로하는기존소자 (Rigid electronics) 는 PET, PI와같은유연기판을근간으로하는유연전자소자 (Flexible electronics) 로 [Fig. 1] Rigid, flexible, and stretchable displays based on glass substrate, flexible substrate and stretchable substrates. < 저자약력 > 이상목저자는 2012 년에경희대학교정보전자신소재공학과를입학하여 2016 년에학사학위를취득하였으며 2016 년도부터정보전자신소재공학과석사과정 ( 지도교수김한기 ) 에재학중에있다. (mock0920@khu.ac.kr) 임지은저자는 2013 년에경희대학교정보전자신소재공학과를입학하여 2017 년에학사학위를취득하였으며 2017 년도부터정보전자신소재공학과석사과정 ( 지도교수김한기 ) 에재학중에있다. (jieun922@khu.ac.kr) 김한기교수는 2003 년도광주과학기술원에서박사학위를받았으며, 2005 년까지삼성 SDI 에서책임연구원으로재직하였고, 2008 년까지국립금오공과대학교에서조교수로근무하였다 년부터는경희대학교정보전자신소재공학과에교수로재직중이다. (imdlhkkim@khu.ac.kr) 15

첨단과학 술과기존소재를이용한복합형스트레처블전극기술을 중점으로연구동향을살펴보려한다. 2. 스트레처블기판 (Stretchable substrate) 기술 [Fig.

electronics and electronic skin devices. 최근삼성디스플레이는 SID 2017에화면이최대 12mm 깊이까지탄력적으로늘어나는 9.

특히탄력적으로늘어나는기판과동시에늘어날수있는전극 ( 금속전극 / 투명전극 ) 기술은기존무기물전극소재를이용해야하는한계로이를대치하기위한다양한저저항, 고유연스트레처블전극을개발하기위한연구가국내외적으로진행되고있다.

일반적인유연전자소자에사용되는 PET 기판은 3% 이내의 stretchability를가지고있기때문에탄력적인신축이가능한기판에적용이어려워 Polydimethylsiloxane (PDMS) 나 polyurethane (PU)

Wavy structure 기존무기물소자를이용하여스트레처블전자소자를구현하기위해선 PDMS 기판의특별한구조적설계와기계적디자인이필요하다. 그중하나의방법으로는기판의신축시기판신축에따라기판이변형이일어날수있는웨이비 (wavy) 구조의기판을구현하는것이있다.

2 첨단과학 술과기존소재를이용한복합형스트레처블전극기술을 중점으로연구동향을살펴보려한다. 2. 스트레처블기판 (Stretchable substrate) 기술 [Fig. 2] Applications of stretchable electronics including stretchable displays, stretchable battery, stretchable photovoltaics, stretchable electronics and electronic skin devices. 최근삼성디스플레이는 SID 2017에화면이최대 12mm 깊이까지탄력적으로늘어나는 9.1 인치 AMOLED를선보이며유연디스플레이를이어갈새로운디스플레이기술로스트레처블기술의가능성을선보였다 ( 그림 3). 스트레처블소자를구현하기위해선우선적으로탄력적으로늘어나는기판기술이필요하며늘어나는기판에탄력적으로늘어날수있는전극과소자의구현이필요하다. 특히탄력적으로늘어나는기판과동시에늘어날수있는전극 ( 금속전극 / 투명전극 ) 기술은기존무기물전극소재를이용해야하는한계로이를대치하기위한다양한저저항, 고유연스트레처블전극을개발하기위한연구가국내외적으로진행되고있다. 본고에서는최근전세계적으로많은연구가진행되고있는스트레처블전극기술에대한소개와이분야의최근연구동향에대해살펴보려한다. 특히스트레처블전극을구현하기위한기판기 스트레처블전극을구현하기위해선먼저스트레처블기판기술의선행이이루어져야한다. 일반적인유연전자소자에사용되는 PET 기판은 3% 이내의 stretchability를가지고있기때문에탄력적인신축이가능한기판에적용이어려워 Polydimethylsiloxane (PDMS) 나 polyurethane (PU) 와같은소재가스트레처블기판으로적용중에있다 [1]. 이러한스트레처블기판을다양한표면나노구조로제작하여스트레처블전극을구현하는기술이보고되고있다 Wavy structure 기존무기물소자를이용하여스트레처블전자소자를구현하기위해선 PDMS 기판의특별한구조적설계와기계적디자인이필요하다. 그중하나의방법으로는기판의신축시기판신축에따라기판이변형이일어날수있는웨이비 (wavy) 구조의기판을구현하는것이있다. 웨이비구조의기판은아코디언과마찬가지로신축시기판이웨이비구조가늘어나면서외부응력에대응하기때문에기판위에제작된무기물소자에영향을주지않을수있다. 전극역시웨이비패턴을이용하여제작함으로써 30% 이상의 strain이가능한전극의구현이가능해진다. 최근본연구실에서는스트레처블전극을구현하기위해웨이비패턴이된 PDMS 기판위에 Ag의 skin depth [Fig. 3] 9.1 inch stretchable AMOLEDs developed by Samsung display (SID 2017). [Fig. 4] Fabrication of wavy-patterned PDMS substrate and FESEM images of wavy-patterned PDMS substrate [2]. 16 진공이야기 Vacuum Magazine June

전극과함께늘어나기때문에크랙의생성없이전극으로 작동이가능해지기때문에스트레처블전극으로적용이 가능해진다 [2]. 2-2. Porous mesh structure 신축가능한기판을만들기위해사용하는방법중다른하나는다공성 (porous) 탄성체기판을이용하는것이다.

그림 6a 에서보는것과같이다공성기판은 PDMS 고분자층에증기를이용하여고분자필름을식각함으로써형성되며증기의압력과애칭시간에의해구멍 (pore) 의크기가결정된다. 이과정을통해형성된다공성기판은구멍이없는 PDMS보다소프트한성질을갖는다.

5] Comparison of resistance change of semi-transparent Ag electrode coated on flat PDMS and wavy patterned PDMS substrate [2]. 두께의전극을코팅하여스트레처블반투명전극을구현하였다 [2].

웨이비패턴의간격과깊이는 UV/Ozone 처리시간에영향을받기때문에스트레처블소자의응용에따른기판제작의최적화가필요하다.

3 전극과함께늘어나기때문에크랙의생성없이전극으로 작동이가능해지기때문에스트레처블전극으로적용이 가능해진다 [2] Porous mesh structure 신축가능한기판을만들기위해사용하는방법중다른하나는다공성 (porous) 탄성체기판을이용하는것이다. 가압증기를이용하여 PDMS를다공성구조 (pore size: 1-20 μm) 를갖는기판으로만드는방법이다. 무기물전극이다공성탄성체기판에패터닝되면서전극은 80% 의 strain에도전기전도성을잃지않고늘어날수있다. 그림 6a 에서보는것과같이다공성기판은 PDMS 고분자층에증기를이용하여고분자필름을식각함으로써형성되며증기의압력과애칭시간에의해구멍 (pore) 의크기가결정된다. 이과정을통해형성된다공성기판은구멍이없는 PDMS보다소프트한성질을갖는다. 다공성기판을제작한후에 Ti(~500Å) 층과 Au (~2,000 [Fig. 5] Comparison of resistance change of semi-transparent Ag electrode coated on flat PDMS and wavy patterned PDMS substrate [2]. 두께의전극을코팅하여스트레처블반투명전극을구현하였다 [2]. 그림 4와같이미리일방향의응력을가해둔 PDMS 기판의표면에 UV/Ozone 처리를할경우기판표면과기판내부의 cross-link 차이에의해응력제거시응력방향의수직으로 PDMS 표면에웨이비패턴이형성되게된다. 웨이비패턴의간격과깊이는 UV/Ozone 처리시간에영향을받기때문에스트레처블소자의응용에따른기판제작의최적화가필요하다. 웨이비패턴된 PDMS 기판의역할을알아보기위해 UV/Ozone처리하지않은평평한 PDMS 기판과웨이비패턴된 PDMS 기판위에반투명 Ag 전극 (10, 15, 20 nm) 을 DC magnetron sputtering을이용하여증착한뒤, strain을가하여저항값을측정해보았다. 그림 5에나타낸것과같이평평한 PDMS 기판에제작한반투명 Ag전극은 30% 의 strain에서 9 Ohm/sq. 에서 3600 Ohm/sq. 로급격한저항변화가일어난반면에, 웨이비패턴된 PDMS 기판상에제작된반투명 Ag 전극은 12 Ohm/sq. 에서 36 Ohm/sq. 로일정한저항값을나타냈다. 이는웨이비패턴된 PDMS 기판이신축시 Ag [Fig. 6] (a) Fabrication of the porous electrode with steam etching. (b) Schematic diagram showing the initial electrical connections and disconnection. (c) Electrical properties of the porous electrode [3]. 17

첨단과학 Å) 층을코팅하여스트레쳐블전극을구현할수있다. 그림 6b에나타나있듯이, 전극에 strain을가하면, 구멍위에코팅된금속들의변형이일어나며일부구간에서전자의흐름이끊긴다. 하지만금속층을전체적으로볼때, 구멍들이서로접촉해있기때문에부분적으로금속의접촉이끊겼어도전기적특성은유지된다.

4 첨단과학 Å) 층을코팅하여스트레쳐블전극을구현할수있다. 그림 6b에나타나있듯이, 전극에 strain을가하면, 구멍위에코팅된금속들의변형이일어나며일부구간에서전자의흐름이끊긴다. 하지만금속층을전체적으로볼때, 구멍들이서로접촉해있기때문에부분적으로금속의접촉이끊겼어도전기적특성은유지된다. 30% 의 strain 으로 20,000번을반복했을때, 몇몇금속들은접촉이끊어졌지만전기전도성은유지되었다. 스트레칭반복실험을시행한결과, 10% 의 strain으로 20,000번을가했을때, 저항의변화가 10% 미만으로큰저항의증가가없었으며, 20% 와 30% 의 strain에서는미세한저항변화가보였다. 최대로늘릴수있는 80% 의 strain 이상을넘어서면, 기판의구멍들이물리적으로는끊어지지않더라도금속박막은전도성을잃게된다 ( 그림 6c). 이결과로인해다공성전극이반복적인 stretching 테스트에서도뛰어난전기전도성을보이는것을알수있다. 또한, 본전극은신축성뿐만아니라구부림에대한저항성도뛰어나다. 90 로구부렸을때, 25% 의저항증가가나타났다. 이것으로보아, 전극을매우얇게구부림에도전도성이끊어지지않는것을확인할수있다. 다공성기판의전극은불규칙한배열의다공성구조로인해일정부분에외력이집중되어전기적연결이단절될수있는가능성이있다. 하지만다공성구조기판의우수한기계적특성은스트레처블전극으로응용가능성을나타내며, 전기도금과납땜분야에서응용이가능하다 [3] Stretchable substrate 고품위스트레처블전극을구현하기위해서는 PDMS 를대치할수있는새로운기판의개발도필수적이다. PDMS는연구용신축기판으론적용이가능하나복잡한제작공정과소자제작시공정상문제를초래할수있어대면적화가가능한스트레처블기판에개발이필요하다. 최근연구에서는새로운신축가능한전도성 polypyrrole /polyurethand(ppy/pu) 탄성체가전도성신축기판으로보고되었다. 그림 7에나타내듯이다공성 PU 기판위에 PPy를중합함으로써탄성체를얻을수있다. PPy가중합되면, PPy/PU 탄성체의표면은평평하고매끄러워진다. 그림 7a에서볼수있듯이, PU 기판은매우많은구멍들을갖고있다. PU 기판위에약 40 μm 의 PPy층이형성되며다공성 PU와 PPy이계면에도 10 [Fig. 7] (a)sem images of fracture surface of porous PU substrate and PPy/PU elastomer (b) Resistance as a function of stretching cycle numbers and (c) sensitivity of resistance change of PPy/ PU elastomer with elongations of 10%, 30%, and 50% [4]. μm의 PPy 층이형성된다. 계면에서 PPy가중합됨으로써기판을늘렸을때 PPy/PU의전기전도성을유지시킨다. strain을증가시킬수록 PPy층에는굉장히미세한그물모양의크랙이발생한다. 더많이늘릴수록크랙의크기가증가하는경향을보임에도불구하고, PPy 층은다공성 PU 기판에강하게부착되어있다. PPy 층에그물모양크랙이발생하지만, 다공성 PU 기판은 PPy 층과의강한계면접착을통해받은응력을여러방향으로분산시킨다. 응력이제거되면, 다공성 PU는미세크랙의크기를줄어들게하며 PPy/PU의저항값을줄어들게한다. 그림 7b,c 에서 strain을 10%, 30%, 50% 로했을때 PPy/PU 탄성체의전기전도성의변화를알수있다. 신축했을때에는저항이증가하지만응력이풀리면저항이원래대로돌아오는경항을보인다. 10% 의 strain에서는저항의변화가 4.6%, 30% 일때에는 44%, 50% 일때에는 116% 의저항값의증가를나타냈다. 인장율을증가할수록저항값의감도가향상되는것을알수있다. 이것으로보아 PPY/PU 탄성체를뛰어난민감성과재현성을갖는사람의심장에부착할수있는신축센서에의적용을기대할수있다 [4]. 3. 스트레처블전극 (Stretchable electrode) 기술신축형전극성능은스트레처블소자에사용되는금속전극과투명전극을의미하며소자의응용에따라다양한전극소재의적용이필요하다. 일반적인금속박막이나 18 진공이야기 Vacuum Magazine June

ITO와같은투명전극소재는신축에따른 strain failure 가낮아이를대체하기위한다양한스트레처블전극소재가연구되고있다. 특히유연전극의경우기존의소재를사용할수있으나, 스트레처블전극의경우재료의이론적 strain failure보다높은변형을일으키기때문에기존무기재료기반전극소재는사용이어렵다.

은나노와이어자체로는유연전극으로는가능하나스트레처블전극으로는적용이어려워전도성고분자물질이나고분자물질을혼합하여복합체전극으로적용을하고있다. 그림 8에서와같이늘어나는 AgNWs/ Polyurethane (PU) 복합전극은 high intensity pulsed light (HIPL) 기술을통해만들어졌다.

5 ITO와같은투명전극소재는신축에따른 strain failure 가낮아이를대체하기위한다양한스트레처블전극소재가연구되고있다. 특히유연전극의경우기존의소재를사용할수있으나, 스트레처블전극의경우재료의이론적 strain failure보다높은변형을일으키기때문에기존무기재료기반전극소재는사용이어렵다. 이때문에금속나노와이어, 금속그리드, 그래핀, 탄소나노튜브, 전도성고분자나다양한복합소재를스트레처블소자의전극으로적용하고있다 금속나노와이어전극신축형전극중에고성능의신축성을보이는금속나노와이어대해살펴보면은나노와이어 (Ag Nanowire) 가주로사용된다. 은나노와이어자체로는유연전극으로는가능하나스트레처블전극으로는적용이어려워전도성고분자물질이나고분자물질을혼합하여복합체전극으로적용을하고있다. 그림 8에서와같이늘어나는 AgNWs/ Polyurethane (PU) 복합전극은 high intensity pulsed light (HIPL) 기술을통해만들어졌다. HIPL기술은 350nm 에서 450nm의높은에너지파장대를교차하고있는 AgNW 사이 junction에가하면빛에너지가열에너지로변화하게된다. 이열에너지는 Ag원자들을나노와이어의표면에모이게하여신축형전극이높은전기전도성을가지도록도와준다. AgNW/PU 복합전극은 100% 의 strain이가해졌음에도불구하고 10 Ω/sq보다낮은면저항을유지하였으며, 1000번의반복적인 stretching-relaxing test 후에도 10 Ω/sq보다낮은면저항을유지하였다. 이렇게만들어진복합전극은스트레처블동작감지센서와늘어나는전극을가진 LED에도활용되었다 [5] 그래핀전극단일탄소원소로구성된그래핀은탄소나노튜브처럼늘어나는투명전극에적용이가능한것으로알려져있 [Fig. 8] (a) Schematic representation shows the fabrication steps of AgNWs/PU electrode. (b) Capability on as-prepared stretchable electrodes. (c) Application of the AgNWs/PU composite electrode for semi-transparent and stretchable LED [5]. [Fig. 9] (a) Schematics of the synthesis mechanism of CVD graphene on Cu foil. (b) Sheet resistance of graphene and variation in the normalized sheet resistance with respect to the number of rolling cycles. (c) Relative resistance change in the strain sensor on a glove when bending or straightening the finger [6]. 19

첨단과학 다. 그림 9에나타내듯이최근그래핀 nano-paper라는물질을통해늘어나는전극의가능성을제시하였다. 삼차원적으로늘어나는그래핀 nano-paper는뒤틀린그래핀과나노셀룰로오스로구성되어있다. 신축성이뛰어난그래핀 nano-paper는 strain sensor 에도활용되고있다. 이센서는손가락구부림에즉각반응을보이면서훌륭한내구성을보였고저항변화도나타나지않았다.

그이유는 PEDOT물질이부분적으로모여서 PSS matrix안에모여서딱딱한전도성네트워크를형성해서 PEDOT:PSS 전극의신축성을떨어뜨리기때문이다. PEDOT:PSS 전극의신축성을높이는방법으로는 PEDOT:PSS 물질에 STEC enhancers를부분첨가해서폴리머체인을부드럽게만드는방법이있다.

6 첨단과학 다. 그림 9에나타내듯이최근그래핀 nano-paper라는물질을통해늘어나는전극의가능성을제시하였다. 삼차원적으로늘어나는그래핀 nano-paper는뒤틀린그래핀과나노셀룰로오스로구성되어있다. 신축성이뛰어난그래핀 nano-paper는 strain sensor 에도활용되고있다. 이센서는손가락구부림에즉각반응을보이면서훌륭한내구성을보였고저항변화도나타나지않았다. 그림 9에서는 100번의신축성테스트에도불구하고그래핀 nano-paper 전극의저항변화가초기값과차이가거의없는것을확인할수있다 [6] PEDOT: PSS 전극최근에신축성이훌륭한전극으로각광받는또다른전극으로는전도성고분자인 PEDOT:PSS 물질이있다. 하지만기존의 PEDOT:PSS라는물질을늘어나는전극으로사용하기위해서는 PEDOT 물질이덜첨가되어야만한다. 그이유는 PEDOT물질이부분적으로모여서 PSS matrix안에모여서딱딱한전도성네트워크를형성해서 PEDOT:PSS 전극의신축성을떨어뜨리기때문이다. PEDOT:PSS 전극의신축성을높이는방법으로는 PEDOT:PSS 물질에 STEC enhancers를부분첨가해서폴리머체인을부드럽게만드는방법이있다. 동시에 PEDOT을많이첨가할수있게해서전기전도성이높고늘어나는전극을만들수있다. STEC enhancers가첨가된 PEDOT:PSS 전극은 100% 의 strain을가했음에도불구하고 4100 S/cm 이상의전기전도성을가진다 [7] 나도두께의 Ag 단일박막전극단일금속박막은신축성이좋지않아일반적인신축전극으로는사용하기어렵다. 그러나최근본연구그룹에서는나노두께의 Ag 박막을웨이비패턴된 PDMS 기판에제작하여 30% 의신축이가능한전극을보고하였다. 그림 11에나타내듯이웨이비패턴된 PDMS위에증착한 Ag 박막은가하는 strain에따라투과도를조절할수있는장 [Fig. 10] (a) Schematic diagram representing the morphology of a typical PEDOT:PSS film and stretchable PEDOT film with STEC enhancers. (b) Electrical and optical properties of stretchable PEDOT under strain. (c) and (d) Stretchable PEDOT/STEC as interconnects for FET devices [7]. [Fig. 11] (a) Schematic process to fabricate wavy-patterned stretchable PDMS substrate and semi-transparent Ag films. (b) Dynamic fatigue stretching test of Ag films on a wavy-patterned PDMS substrate. (c) Optical transmittance. (d) Temperature profile stretchable thin film heater [2]. 20 진공이야기 Vacuum Magazine June

점이있어힘에의해투과도가변화하는소자를구현할수있다. 위박막에 30% strain을가하면 9.48% 의낮은투과도에서 45.27% 의전보다높은투과도를보이는것을확인하였다. Strain을가하기전의웨이비패턴된 PDMS위에증착한 Ag 단일박막의면저항은 12 Ω/sq를나타냈고 30% 의 strain을가한후에는면저항이조금증가한 69 Ω/sq를나타냈다.

7 점이있어힘에의해투과도가변화하는소자를구현할수있다. 위박막에 30% strain을가하면 9.48% 의낮은투과도에서 45.27% 의전보다높은투과도를보이는것을확인하였다. Strain을가하기전의웨이비패턴된 PDMS위에증착한 Ag 단일박막의면저항은 12 Ω/sq를나타냈고 30% 의 strain을가한후에는면저항이조금증가한 69 Ω/sq를나타냈다. 이러한스트레처블전극은스트레처블투명히터로제작하여그가능성을보고하였다. 위의 heater 소자는 20% 의 Strain에도불구하고 100 의높은온도를유지할수있어곡률이있는표면이나웨어러블소자의열원으로응용이가능함을나타낸다 [2] 탄소나노튜브전극탄소나노튜브는기계적안정성과유연성을가지며투명한물질로유연투명전극에유망한물질로많은연구가진행되어왔다. 뿐만아니라탄소나노튜브는전도성탄소로이루어져있어높은전자이동도를갖는다. 특히탄소나노튜브는인쇄공정으로제작이가능하기때문에저가의투명전극으로그가능성이높다. 그러나아직 까지저항이전극으로사용할수준으로낮지않기때문에전극수준의저항을가지는탄소나노튜브복합구조의개발이필요하다. 그림 12에나타내듯이최근 PDMS 기판을기반으로탄소나노튜브의스트레처블전극가능성을보고하고있다. 한쪽혹은양쪽으로 Strain을주어탄소나노튜브의전기전도도가유지되는것을확인하여탄소나노튜브의스트레처블전극적용가능성을보고하고있다. 탄소나노튜브는 102 S/cm의높은전기전도도를보였고 100% 의 strain에도안정성을보였다. 이러한특성덕분에탄소나노튜브는인간의피부나웨어러블소자용전극으로그가능성이높은것으로알려져있다. 또한탄소나노튜브의높은전기전도도덕분에이물질을프린팅공정을통해 TFT에적용하기도한다 [8] 하이브리드전극앞서언급한스트레처블전극으로주로사용되는금속나노와이어, 그래핀, 전도성고분자, 나노두께의금속박막그리고탄소나노튜브등과같이투명스트레처블전극을만들기위해단순히한가지물질을사용하는것이아니라두물질이상의복합물질을사용하여우수한전기전도도, 내구성, 안정성그리고신축성을갖는투명스트레처블전극을만드는것이최근추세이다. 그림 13은그래핀, ITO 그리고그래핀 /ITO 복합물질에대한내구성, 안정성그리고신축성을비교한결과를나타낸다. 5% 의 Strain에서는비교적기존의면저항과비슷한값을가져세물질모두저항변화가없는것을확인했다. [Fig. 12] (a) Stretchable conductors based on CNT-polymer composites. (b) Schematics of the fabrication process. (c) AFM images showing the microscopic morphology evolution of CNT network. (d) CNT-TFTs fabricated using a roll-to-plate printing process for applications in E-skin [8]. [Fig. 13] Electromechanical properties of three kinds of samples [9]. 21

15] (a) Schematic illustration of in situ synthesis of metal nanoparticle embedded reduced graphene oxide (rgo- AgNP) and possible stretchable mechanism of rgo-agnp hybrid films.

8 첨단과학 [Fig. 14] (a) Schematic illustration of the fabrication of a GO-AgNW network. (b) Relative resistance change of the GO-AgNW/ PET. (c) Normalized transient resistance during 100 cycles and schematic illustration of the deformation of an ideal nanowire network. (d) Optical photographs of a PLED [10]. [Fig. 15] (a) Schematic illustration of in situ synthesis of metal nanoparticle embedded reduced graphene oxide (rgo- AgNP) and possible stretchable mechanism of rgo-agnp hybrid films. (b) Electrcial characteristics of rgo-agnp hybrid films. (c) LED images under stratching [11]. 그러나 10% 이상의 Strain부터는 ITO 단일박막이깨지는것을확인하였다. 20% 의 Strain에서 ITO의저항변화는 이었고그래핀의저항변화는 3.28 그리고그래핀 /ITO 복합물질의저항변화는 17.78을나타내었다. 그래핀 /ITO 복합물질은상대적으로단일그래핀물질보다는저항에대한안정성이더떨어진것처럼보이지만실제로는 ITO가그래핀물질에첨가되어단일그래핀보다더낮은면저항값을가지게되어저항변화가더많아보이는것이다. 그래핀 /ITO 물질은그래핀의기계적, 전기적으로우수한특성덕분에당기거나구부렸을때짤깨지는 ITO 물질특성을보완해주는것을확인할수있었다 [9]. 그림 14에서그래핀옥사이드 (GO) AgNW 네트워크 에 soldering한물질은 14 ohm/sq의면저항을보였고 550nm에서 88% 의고투과율을보였다. 또한위그래프를통해서우수한내구성과신축성을확인할수있었다. GO-soldered AgNW 네트워크물질을 4mm로 12000번구부림에도불구하고면저항이단지 2~3% 정도증가했다. 신축성테스트에서는 20% 의 Strain을 Go-soldered AgNW 네트워크물질에가했을때초기면저항의 2.3에서 2.7배의저항변화밖에없는것을확인할수있었다. 이는똑같은조건에서 AgNW 네트워크물질만있었을때신축성테스트, 유연성테스트를했을때보다매우낮은저항값임을확인할수있었다. 이러한 GO-soldered AgNW 네트워크라는복합물 22 진공이야기 Vacuum Magazine June

9 질은그래핀을 AgNW에 soldering한덕분에 AgNW의 junction 부분에 damage를덜입게되어우수한내구성과신축성그리고낮은면저항을갖는것을확인할수있었다. 이러한특성덕분에신장가능한 PLED로활용하였는데이는 0~40% 의 Strain 사이에서 100회신축성테스트를진행했음에도불구하고 PLED가그대로발광하는것을확인할수있었다. 실온에서는 130% 의직선변형까지늘어나는특성도보여주었다 [10]. 그림 15에서나타내는물질은그래핀옥사이드 (GO) 와 AgNP을이용하여만든복합투명신축전극물질이다. 이물질에 Strain이걸리지않았을때의전기전도도는 3012 S/cm이다. 35% 의 Strain이걸렸을때의전기전도도는 S/cm로낮아지는것을확인하였다. 기존의 AgNP만있을때신축성테스트를했을때보다전기전도도변화는적었다. rgo-agnp 복합물질에대해신축성테스트를 1,500번했을때부터저항변화가나타나기시작했다. 위복합물질을통해 LED 배선을만들어보았는데 12%, 25% 까지의스트레칭에는잘견뎠지만 50% 에서는버티지못하는것을확인하였다 [11]. 4. 결론 이상에서최근차세대스트레처블소자의핵심부품소재인스트레처블전극기술에대해간략한소개와연구동향에대해살펴보았다. 스트레처블전극 ( 금속전극 / 투명전극 ) 은차세대스트레처블디스플레이 / 태양전지 / 전자소자및웨어러블소자를구현하기위한핵심소재로미래지향적인기술이다. 아직까지는기초적인연구수준에서제한된전극소재때문에 PDMS/PU 기판, PEDOT:PSS, CNT, Ag Nanowire 전극에국한되어연구가진행되고있지만앞으로치열하게전개될스트레처블소자기술의발전을위해선새로운신규스트레처블기판, 전극소재의개발이필요하다. 특히복합소재기술을이용한고성능의스트레처블전극 / 기판의개발이필요한시점이다. 저저항, 고투과, 고연신형스트레처블전극이국내기술로개발된다면기술의원천성확보및차세대스트레처블소자기술선점을위한매우유리한입지를점할수있을것으로기대된다. References [1] D.H. Kim, J. Xkao, J. Song, Y. Huang, J.A. Roger, Adv. Mater. 22 (2010) 2108 [2] E.H. Ko, H.J. Kim, S.M. Lee, T.W. Kim, H.K. Kim, Sci, Rep. 7 (2017) [3] G.S. Jeong, D.H. Baek, H.C. Jung, J.H. Song, J.H. Moon, S.W. Hong, I.Y. Kim, S.H. Lee, Nat. Commun. 3 (2012) 977 [4] M. Li, H. Li, W. Ahong, Q. Zhao, D. Wang, ACS Appl. Mater. Interfaces, 6 (2014) 1313 [5] Y. Yang, S. Ding, T. Araki, J. Jiu, T. Sugahara, J. Wang, J. Vanfleteren, T. Sekitani, K. Suganuma, Nano Res. 10 (2015) [6] H. Jang, Y.J. Park, X. Chen, T. Das, M.S. Kim, J.H. Ahn, Adv. Mater. 28 (2016) 4184 [7] Y. Wang, C. Zhu, R. Pfattner, H. Yan, L. Jin, S. Chen, F.M. Lopez, F. Lissel, J. Liu, N. Rabiah, Z. Chen, J.W. Chung, C. Linder, M. Toney, B. Murmann, Z. Bao, Sci. Adv. 3 (2017) e [8] L. Cai, C. Wang, Nanoscale Res. Lett. 10 (2015) 320 [9] J. Liu, Y. Yi, Y. Zhou, H. Cai, Nanoscale Res. Lett. 11 (2016) 108 [10] J. Liang, K. Tong, Z Ren, W. Hu, X. Niu, Y. Chen, Q. Pei, ACS Nano 8 (2014) 1590 [11] Y.H. Yoon, K. Smanta, H.L. Lee, K.S. Lee, A.P. Ti, J.H. Lee, J.H. Y, H.Y. Lee Sci. Rep. 5 (2015)

[Fig. 4] (a) Properties of OLED as IWO films as anode. (b)fabrication process of QDLED and image of QDLED device using IWO films as anode. [Fig. 3] 정보

[Fig. 4] (a) Properties of OLED as IWO films as anode. (b)fabrication process of QDLED and image of QDLED device using IWO films as anode. [Fig. 3] 정보 바이오인터페이스 기술의 현재와 미래 성균관대학교 정보재료소자연구실(IMDL) 김한기 최근 정보통신 분야의 발전에 따라 기존의 다양한 어플 리케이션들은 평면성을 벗어나 이전부터 요구된 투명유 연하고 깨지지 않는 특성과 더불어 신축성을 가진 특성까 지 요구되고 있다. 이러한 흐름 속에서 투명 전극은 투명 하면서 전도성을 가지고 있는 전극 물질로서 디스플레이, 터치센서,