고신뢰성 신축전도성 복합소재 페이스트 기술
한국화학연구원 화학소재연구본부 박막재료연구센터 정성묵, 김태수, 이수연, 최영민 박사
스트레처블 소자란 늘릴 수 있어 다양한 형태로 변형이 가능한 전자기기를 일컫는 것으로 스트레처블 소자가 적용된 IoT기기는 인체 부착 가능하고 공간 활용성이 우수하여 소비자들에게 편의성을 제공합니다.
이와 같은 스트레처블 소자의 실현을 위해서는 연신성을 가진 부드럽고 유연한 소재들의 개발이 필요하며 이때 가장 필수적인 요소가 바로 전극 소재입니다.
이때 전극 소재에는 높은 연신성과 전기 전도도가 필요한것은 물론 방폭 작동 시 견딜 수 있는 내구성과 연신시 낮은 저항 변화율 특성이 요구되는데요,
종래의 신축성 전극은 구조화를 이용하여 연신성을 획득하는 방법과 소재 자체가 연신성을 가지는 방법으로 나뉩니다.
금속박막을 구조화하는 방법은 금속의 전기 전도도를 가지지만 구조화로 인해 많은 공간이 낭비되어 이를 활용한 전자기기들은 직접도의 한계를 갖습니다.
이에 해당하는 예시로 구조화를 통해 연신 신뢰성을 향상시키는 미앤더링 혹은 썰핀 타임 구조를 들 수 있습니다.
반면 소재 자체가 연신성을 가진 경우 구조화에 비해 연신성이나 신뢰성은 떨어질 수 있지만 직접도 측면에서 우수합니다.
액체형 전도성 소재인 리퀴드 메탈은 액체이기 때문에 연신성이나 신뢰성에서도 우수하고 직접도 측면에서도 우수하므로 각광받고 있습니다.
하지만 액체의 특성상 새어나오거나 묻어나올 수 있고, 충격에 약하므로 제품으로 사용되기엔 극복해야 할 문제점들이 있습니다.
이러한 기존 소재의 문제점을 해결하기 위해 한국학연구원에서는 고체형 소재의 안정성에 구조화를 통한 신뢰성을 융합한 전극 내부가 구조화된 다공성 신축전도성 전극 제조용 페이스트 조성물을 개발했습니다.
해당 페이스트 조성물은 고체인 은플레이크를 전도성 필러로 사용하면 복합 소재의 내부에 다공성구조를 형성하였기에 소재 자체가 연신성을 가진 방법의 장점과 구조화 방법의 장점이 융합되어 있습니다.
이에 따라 높은 안정성과 신축 신뢰성 그리고 고 지적성을 함께 획득할 수 있었습니다. 도체 내부에 다공성 구조가 형성되면 전도성 경로는 공급들의 형태를 따라 구조화되므로 신축에 의한 응력 및 저항 변화가 최소화 되었습니다. 이러한 특성 덕분에 50% 만 반복 신축사이클 시에도 전기 특성을 안정적으로 유지하며 50%단축 연신시 전도도 감소량이 4.2%에 불과하여 스트레처블 전자소자로의 활용이 가능합니다.
기존 소재의 경우 신축 시 전도도가 변화하지 않더라도 도체의 길이는 늘어나고 단면적은 줄어들기 때문에 저항은 증가할 수 밖에 없었으나 개발된 소재는 다공성 구조가 내부에 구현되어 저항변화율을 줄일 수 있었습니다.
이처럼 고신뢰성 신축 전도성 복합소재페이스트는 구조화를 통해 신축 시 전도성 필러가 스트레스를 적게 받으므로 전기저항의 증가가 억제되어 우수한 전기적 신뢰성을 구현하는 것은 물론 제조 공정이 간단하여 생산성이 우수하고 손쉬운 패터닝성 등의 이점을 갖추고있습니다.
이와 같은 장점을 활용할 수 있는 대표적인 응용 분야는 스트레처블 헬스케어로 다양한 정보들을 수집할 수 있는 센서와 소집된 정보들을 분석하고 판단할 수 있는 로직 회로에 한국항 연구원에서 개발한 소재기술을 접목할 경우 기존의 단단하거나 플렉서블한 전자기기들이 신축성을 획득할 수 있으므로 편의성과 활용성 그리고 정확성이 향상됩니다.