차세대 스트레처블 전극의 기술 개발동향 · 2017-11-16 · 웨이비 패턴된 PDMS 기판의 역할을 알아보기 위해 UV/Ozone처리 하지 않은 평평한 PDMS

1. 스트레처블 소자 기술의 도래

신축형 전자소자 일명 스트레처블 소자 (Stretchable

devices)는 기판을 늘리거나 심각한 굽힘에도 소자의

특성을 잃지 않고 작동하며, 외력을 제거하더라도 소

자의 특성을 유지할 수 있는 차세대 전자소자이다. 그

림 1에 나타내듯이 유리기판을 근간으로 하는 기존 소

자 (Rigid electronics)는 PET, PI와 같은 유연 기판을

근간으로 하는 유연 전자소자 (Flexible electronics)로

발전하였고, 이러한 유연 소자 기술은 늘어나는 기판에

서도 작동하는 스트레처블 전자소자라는 새로운 분야를

창출하였다.

스트레처블 전자소자는 늘어나는 기판상에 기존 광전

소자를 제작하여 기판이 줄어들거나 늘어남에도 작동이

가능하기 때문에 다양한 응용분야의 창출이 가능하며, 최

근 웨어러블 전자 소자나 전자피부, 사물인터텟(IoT), 차

량용 전자소자, 지능형(AI) 로봇 구현을 위한 핵심 부품

소재로 활발한 연구가 진행 중에 있다.

뿐만 아니라 스트레처블 소자는 그림 2에 나타내듯이

스트레처블 디스플레이, 스트레처블 태양전지, 스트레처

블 전지/에너지 하베스트, 스트레처블 전자소자 및 전자

피부 등에 응용이 가능하며, 이를 구현하기 위한 스트레

처블 기판, 스트레처블 전극, 스트레처블 소자, 스트레처

블 보호 필름 등의 기술이 국내외적으로 개발 중에 있다.

차세대 스트레처블 전극의 기술 개발동향https://doi.org/10.5757/vacmac.4.2.15

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.

<저자 약력>

■ 이상목 저자는 2012년에 경희대학교 정보전자신소재공학과를 입학하여 2016년에 학사학위를 취득하였으며 2016년도부터 정보전자신소재공학

과 석사과정(지도교수 김한기)에 재학중에 있다. ([email protected])

■ 임지은 저자는 2013년에 경희대학교 정보전자신소재공학과를 입학하여 2017년에 학사학위를 취득하였으며 2017년도부터 정보전자신소재공학

과 석사과정(지도교수 김한기)에 재학중에 있다. ([email protected])

■ 김한기 교수는 2003년도 광주과학기술원에서 박사학위를 받았으며, 2005년까지 삼성SDI에서 책임연구원으로 재직하였고, 2008년까지 국립

금오공과대학교에서 조교수로 근무하였다. 2009년부터는 경희대학교 정보전자신소재공학과에 교수로 재직중이다. ([email protected])

[Fig. 1] Rigid, flexible, and stretchable displays based on glass

substrate, flexible substrate and stretchable substrates.

차세대 스트레처블 전극의 기술 개발동향 차세대 스트레처블 전극의 기술 개발동향

15진공기술과 첨단과학

진공기술과 첨단과학


진공 이야기 Vacuum Magazine │2017 06 June16

최근 삼성디스플레이는 SID 2017에 화면이 최대 12mm

깊이까지 탄력적으로 늘어나는 9.1 인치 AMOLED를 선

보이며 유연 디스플레이를 이어갈 새로운 디스플레이 기

술로 스트레처블 기술의 가능성을 선보였다 (그림 3).

스트레처블 소자를 구현하기 위해선 우선적으로 탄력

적으로 늘어나는 기판 기술이 필요하며 늘어나는 기판에

탄력적으로 늘어날 수 있는 전극과 소자의 구현이 필요하

다. 특히 탄력적으로 늘어나는 기판과 동시에 늘어날 수

있는 전극(금속전극/투명전극) 기술은 기존 무기물 전극

소재를 이용해야 하는 한계로 이를 대치하기 위한 다양한

저저항, 고유연 스트레처블 전극을 개발하기 위한 연구가

국내외적으로 진행되고 있다. 본고에서는 최근 전 세계

적으로 많은 연구가 진행되고 있는 스트레처블 전극 기술

에 대한 소개와 이 분야의 최근 연구 동향에 대해 살펴보

려 한다. 특히 스트레처블 전극을 구현하기 위한 기판 기

술과 기존 소재를 이용한 복합형 스트레처블 전극 기술을

중점으로 연구 동향을 살펴보려 한다.

2. 스트레처블 기판 (Stretchable substrate) 기술

스트레처블 전극을 구현하기 위해선 먼저 스트레

처블 기판 기술의 선행이 이루어져야 한다. 일반적

인 유연 전자소자에 사용되는 PET 기판은 3% 이내의

stretchability를 가지고 있기 때문에 탄력적인 신축이

가능한 기판에 적용이 어려워 Polydimethylsiloxane

(PDMS)나 polyurethane (PU)와 같은 소재가 스트레처

블 기판으로 적용 중에 있다 [1]. 이러한 스트레처블 기판

을 다양한 표면 나노 구조로 제작하여 스트레처블 전극을

구현하는 기술이 보고 되고 있다.

2-1. Wavy structure

기존 무기물 소자를 이용하여 스트레처블 전자소자를

구현하기 위해선 PDMS 기판의 특별한 구조적 설계와 기

계적 디자인이 필요하다. 그 중 하나의 방법으로는 기판

의 신축 시 기판 신축에 따라 기판이 변형이 일어날 수 있

는 웨이비(wavy) 구조의 기판을 구현하는 것이 있다. 웨

이비 구조의 기판은 아코디언과 마찬가지로 신축 시 기판

이 웨이비 구조가 늘어나면서 외부응력에 대응하기 때문

에 기판 위에 제작된 무기물 소자에 영향을 주지 않을 수

있다. 전극 역시 웨이비 패턴을 이용하여 제작함으로써

30%이상의 strain이 가능한 전극의 구현이 가능해진다.

최근 본 연구실에서는 스트레처블 전극을 구현하기 위

해 웨이비 패턴이된 PDMS 기판 위에 Ag의 skin depth

[Fig. 2] Applications of stretchable electronics including stretchable

displays, stretchable battery, stretchable photovoltaics,

stretchable electronics and electronic skin devices.

[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].




차세대 스트레처블 전극의 기술 개발동향

두께의 전극을 코팅하여 스트레처블 반투명 전극을 구

현하였다 [2]. 그림 4와 같이 미리 일방향의 응력을 가해

둔 PDMS 기판의 표면에 UV/Ozone 처리를 할 경우 기

판 표면과 기판 내부의 cross-link 차이에 의해 응력 제

거 시 응력방향의 수직으로 PDMS 표면에 웨이비 패턴이

형성되게 된다. 웨이비 패턴의 간격과 깊이는 UV/Ozone

처리 시간에 영향을 받기 때문에 스트레처블 소자의 응용

에 따른 기판 제작의 최적화가 필요하다.

웨이비 패턴된 PDMS 기판의 역할을 알아보기 위해

UV/Ozone처리 하지 않은 평평한 PDMS 기판과 웨이

비 패턴된 PDMS 기판 위에 반투명 Ag 전극(10, 15, 20

nm)을 DC magnetron sputtering을 이용하여 증착한

뒤, strain을 가하여 저항값을 측정해보았다.

그림 5에 나타낸 것과 같이 평평한 PDMS 기판에 제작

한 반투명 Ag전극은 30%의 strain에서 9 Ohm/sq. 에

서 3600 Ohm/sq.로 급격한 저항 변화가 일어난 반면에,

웨이비 패턴된 PDMS 기판상에 제작된 반투명 Ag 전극

은 12 Ohm/sq. 에서 36 Ohm/sq. 로 일정한 저항 값을

나타냈다. 이는 웨이비 패턴된 PDMS 기판이 신축 시 Ag

전극과 함께 늘어나기 때문에 크랙의 생성 없이 전극으로

작동이 가능해지기 때문에 스트레처블 전극으로 적용이

가능해진다 [2].

2-2. Porous mesh structure

신축 가능한 기판을 만들기 위해 사용하는 방법 중 다

른 하나는 다공성(porous) 탄성체 기판을 이용하는 것

이다. 가압 증기를 이용하여 PDMS를 다공성 구조(pore

size: 1-20 μm)를 갖는 기판으로 만드는 방법이다. 무

기물 전극이 다공성 탄성체 기판에 패터닝되면서 전극은

80%의 strain에도 전기 전도성을 잃지 않고 늘어날 수 있

다. 그림 6a 에서 보는 것과 같이 다공성 기판은 PDMS

고분자층에 증기를 이용하여 고분자 필름을 식각함으로

써 형성되며 증기의 압력과 애칭 시간에 의해 구멍(pore)

의 크기가 결정된다. 이 과정을 통해 형성된 다공성 기판

은 구멍이 없는 PDMS보다 소프트한 성질을 갖는다. 다

공성 기판을 제작한 후에 Ti(~500Å) 층과 Au (~2,000

[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].

[Fig. 5] Comparison of resistance change of semi-transparent Ag

electrode coated on flat PDMS and wavy patterned PDMS

substrate [2].




Å)층을 코팅하여 스트레쳐블 전극을 구현할 수 있다. 그

림 6b에 나타나 있듯이, 전극에 strain을 가하면, 구멍 위

에 코팅된 금속들의 변형이 일어나며 일부 구간에서 전자

의 흐름이 끊긴다. 하지만 금속 층을 전체적으로 볼 때,

구멍들이 서로 접촉해있기 때문에 부분적으로 금속의 접

촉이 끊겼어도 전기적 특성은 유지된다. 30%의 strain

으로 20,000번을 반복했을 때, 몇몇 금속들은 접촉이 끊

어졌지만 전기전도성은 유지되었다. 스트레칭 반복실험

을 시행한 결과, 10%의 strain으로 20,000번을 가했을

때, 저항의 변화가 10% 미만으로 큰 저항의 증가가 없었

으며, 20%와 30%의 strain에서는 미세한 저항 변화가

보였다. 최대로 늘릴 수 있는 80%의 strain 이상을 넘어

서면, 기판의 구멍들이 물리적으로는 끊어지지 않더라도

금속 박막은 전도성을 잃게 된다 (그림 6c). 이 결과로 인

해 다공성 전극이 반복적인 stretching 테스트에서도 뛰

어난 전기 전도성을 보이는 것을 알 수 있다. 또한, 본 전

극은 신축성뿐만 아니라 구부림에 대한 저항성도 뛰어나

다. 90°로 구부렸을 때, 25%의 저항 증가가 나타났다. 이

것으로 보아, 전극을 매우 얇게 구부림에도 전도성이 끊

어지지 않는 것을 확인할 수 있다. 다공성 기판의 전극은

불규칙한 배열의 다공성 구조로 인해 일정 부분에 외력이

집중되어 전기적 연결이 단절될 수 있는 가능성이 있다.

하지만 다공성 구조 기판의 우수한 기계적 특성은 스트레

처블 전극으로 응용 가능성을 나타내며, 전기도금과 납땜

분야에서 응용이 가능하다 [3].

2-3. Stretchable substrate

고품위 스트레처블 전극을 구현하기 위해서는 PDMS

를 대치할 수 있는 새로운 기판의 개발도 필수적이다.

PDMS는 연구용 신축기판으론 적용이 가능하나 복잡한

제작공정과 소자 제작 시 공정상 문제를 초래할 수 있어

대면적화가 가능한 스트레처블 기판에 개발이 필요하다.

최근 연구에서는 새로운 신축 가능한 전도성

polypyrrole /polyurethand(PPy/PU) 탄성체가 전도성

신축 기판으로 보고되었다. 그림 7에 나타내듯이 다공성

PU 기판 위에 PPy를 중합함으로써 탄성체를 얻을 수 있

다. PPy가 중합되면, PPy/PU 탄성체의 표면은 평평하

고 매끄러워진다. 그림 7a에서 볼 수 있듯이, PU 기판은

매우 많은 구멍들을 갖고있다. PU 기판 위에 약 40 μm

의 PPy층이 형성되며 다공성 PU와 PPy이 계면에도 10

μm의 PPy 층이 형성된다. 계면에서 PPy가 중합됨으로

써 기판을 늘렸을때 PPy/PU의 전기전도성을 유지시킨

다. strain을 증가시킬수록 PPy층에는 굉장히 미세한 그

물 모양의 크랙이 발생한다. 더 많이 늘릴수록 크랙의 크

기가 증가하는 경향을 보임에도 불구하고, PPy 층은 다공

성 PU 기판에 강하게 부착되어 있다. PPy 층에 그물 모양

크랙이 발생하지만, 다공성 PU 기판은 PPy 층과의 강한

계면 접착을 통해 받은 응력을 여러 방향으로 분산시킨다.

응력이 제거되면, 다공성 PU는 미세 크랙의 크기를 줄어

들게 하며 PPy/PU의 저항값을 줄어들게 한다. 그림 7b,c

에서 strain을 10%, 30%, 50%로 했을 때 PPy/PU 탄성

체의 전기전도성의 변화를 알 수 있다. 신축했을 때에는

저항이 증가하지만 응력이 풀리면 저항이 원래대로 돌아

오는 경항을 보인다. 10%의 strain에서는 저항의 변화가

4.6%, 30%일 때에는 44%, 50%일 때에는 116%의 저항값

의 증가를 나타냈다. 인장율을 증가할수록 저항값의 감도

가 향상되는 것을 알 수 있다. 이것으로 보아 PPY/PU 탄

성체를 뛰어난 민감성과 재현성을 갖는 사람의 심장에 부

착할 수 있는 신축 센서에의 적용을 기대할 수 있다 [4].

3. 스트레처블 전극 (Stretchable electrode) 기술

신축형 전극 성능은 스트레처블 소자에 사용되는 금속

전극과 투명 전극을 의미하며 소자의 응용에 따라 다양

한 전극 소재의 적용이 필요하다. 일반적인 금속박막이나

[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].





ITO와 같은 투명 전극 소재는 신축에 따른 strain failure

가 낮아 이를 대체하기 위한 다양한 스트레처블 전극 소

재가 연구되고 있다. 특히 유연 전극의 경우 기존의 소재

를 사용할 수 있으나, 스트레처블 전극의 경우 재료의 이

론적 strain failure보다 높은 변형을 일으키기 때문에 기

존 무기재료 기반 전극 소재는 사용이 어렵다. 이 때문에

금속 나노와이어, 금속 그리드, 그래핀, 탄소나노튜브, 전

도성고분자나 다양한 복합소재를 스트레처블 소자의 전

극으로 적용하고 있다.

3-1. 금속 나노와이어 전극

신축형 전극 중에 고성능의 신축성을 보이는 금속 나노

와이어 대해 살펴보면 은나노와이어(Ag Nanowire)가 주

로 사용된다. 은나노와이어 자체로는 유연 전극으로는 가

능하나 스트레처블 전극으로는 적용이 어려워 전도성 고

분자 물질이나 고분자물질을 혼합하여 복합체 전극으로

적용을 하고 있다. 그림 8에서와 같이 늘어나는 AgNWs/

Polyurethane (PU) 복합 전극은 high intensity pulsed

light (HIPL) 기술을 통해 만들어 졌다. HIPL기술은

350nm 에서 450nm의 높은 에너지 파장대를 교차하고

있는 AgNW 사이 junction에 가하면 빛 에너지가 열에너

지로 변화하게 된다. 이 열에너지는 Ag원자들을 나노와

이어의 표면에 모이게 하여 신축형 전극이 높은 전기 전

도성을 가지도록 도와준다.

AgNW/PU 복합 전극은 100%의 strain이 가해졌음에

도 불구하고 10 Ω/sq보다 낮은 면저항을 유지하였으며,

1000번의 반복적인 stretching-relaxing test 후에도 10

Ω/sq보다 낮은 면저항을 유지하였다. 이렇게 만들어진

복합 전극은 스트레처블 동작 감지 센서와 늘어나는 전극

을 가진 LED에도 활용되었다 [5].

3-2. 그래핀 전극

단일 탄소 원소로 구성 된 그래핀은 탄소나노튜브처럼

늘어나는 투명 전극에 적용이 가능한 것으로 알려져 있

[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].




다. 그림 9에 나타내듯이 최근 그래핀 nano-paper라는

물질을 통해 늘어나는 전극의 가능성을 제시하였다. 삼차

원 적으로 늘어나는 그래핀 nano-paper는 뒤틀린 그래

핀과 나노 셀룰로오스로 구성되어 있다.

신축성이 뛰어난 그래핀 nano-paper는 strain sensor

에도 활용되고 있다. 이 센서는 손가락 구부림에 즉각 반

응을 보이면서 훌륭한 내구성을 보였고 저항변화도 나타

나지 않았다. 그림 9에서는 100번의 신축성 테스트에도

불구하고 그래핀 nano-paper 전극의 저항변화가 초기

값과 차이가 거의 없는 것을 확인할 수 있다 [6].

3-3. PEDOT: PSS 전극

최근에 신축성이 훌륭한 전극으로 각광받는 또 다른 전

극으로는 전도성 고분자인 PEDOT:PSS 물질이 있다. 하

지만 기존의 PEDOT:PSS라는 물질을 늘어나는 전극으

로 사용하기 위해서는 PEDOT 물질이 덜 첨가되어야만

한다. 그 이유는 PEDOT물질이 부분적으로 모여서 PSS

matrix안에 모여서 딱딱한 전도성 네트워크를 형성해서

PEDOT:PSS 전극의 신축성을 떨어뜨리기 때문이다.

PEDOT:PSS 전극의 신축성을 높이는 방법으로는

PEDOT:PSS 물질에 STEC enhancers를 부분 첨가해

서 폴리머 체인을 부드럽게 만드는 방법이 있다. 동시에

PEDOT을 많이 첨가할 수 있게 해서 전기 전도성이 높고

늘어나는 전극을 만들 수 있다. STEC enhancers가 첨가

된 PEDOT:PSS 전극은 100%의 strain을 가했음에도 불

구하고 4100 S/cm 이상의 전기 전도성을 가진다 [7].

3-4. 나도 두께의 Ag 단일 박막 전극

단일 금속 박막은 신축성이 좋지 않아 일반적인 신축 전

극으로는 사용하기 어렵다. 그러나 최근 본 연구 그룹에

서는 나노 두께의 Ag 박막을 웨이비 패턴된 PDMS 기판

에 제작하여 30%의 신축이 가능한 전극을 보고하였다. 그

림 11에 나타내듯이 웨이비 패턴된 PDMS위에 증착한 Ag

박막은 가하는 strain에 따라 투과도를 조절할 수 있는 장

[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].





점이 있어 힘에 의해 투과도가 변화하는 소자를 구현할 수

있다. 위 박막에 30% strain을 가하면 9.48%의 낮은 투

과도에서 45.27%의 전보다 높은 투과도를 보이는 것을 확

인하였다. Strain을 가하기 전의 웨이비 패턴된 PDMS위

에 증착한 Ag 단일 박막의 면 저항은 12 Ω/sq를 나타냈

고 30%의 strain을 가한 후에는 면 저항이 조금 증가한

69 Ω/sq를 나타냈다. 이러한 스트레처블 전극은 스트레

처블 투명 히터로 제작하여 그 가능성을 보고하였다. 위의

heater 소자는 20%의 Strain에도 불구하고 100℃의 높은

온도를 유지할 수 있어 곡률이 있는 표면이나 웨어러블 소

자의 열원으로 응용이 가능함을 나타낸다 [2].

3-5. 탄소나노튜브 전극

탄소나노튜브는 기계적 안정성과 유연성을 가지며 투

명한 물질로 유연 투명 전극에 유망한 물질로 많은 연

구가 진행되어 왔다. 뿐만 아니라 탄소나노튜브는 전도

성 탄소로 이루어져있어 높은 전자 이동도를 갖는다. 특

히 탄소나노튜브는 인쇄공정으로 제작이 가능하기 때문

에 저가의 투명 전극으로 그 가능성이 높다. 그러나 아직

까지 저항이 전극으로 사용할 수준으로 낮지 않기 때문에

전극 수준의 저항을 가지는 탄소나노튜브 복합 구조의 개

발이 필요하다. 그림 12에 나타내듯이 최근 PDMS 기판

을 기반으로 탄소나노튜브의 스트레처블 전극 가능성을

보고하고 있다. 한쪽 혹은 양쪽으로 Strain을 주어 탄소

나노튜브의 전기전도도가 유지되는 것을 확인하여 탄소

나노튜브의 스트레처블 전극 적용 가능성을 보고하고 있

다. 탄소나노튜브는 102 S/cm의 높은 전기전도도를 보였

고 100%의 strain에도 안정성을 보였다. 이러한 특성 덕

분에 탄소나노튜브는 인간의 피부나 웨어러블 소자용 전

극으로 그 가능성이 높은것으로 알려져 있다. 또한 탄소

나노튜브의 높은 전기전도도 덕분에 이 물질을 프린팅공

정을 통해 TFT에 적용하기도 한다 [8].

3-6. 하이브리드 전극

앞서 언급한 스트레처블 전극으로 주로 사용되는 금속

나노와이어, 그래핀, 전도성 고분자, 나노 두께의 금속박

막 그리고 탄소나노튜브 등과 같이 투명 스트레처블 전극

을 만들기 위해 단순히 한가지 물질을 사용하는 것이 아

니라 두 물질이상의 복합 물질을 사용하여 우수한 전기전

도도, 내구성, 안정성 그리고 신축성을 갖는 투명 스트레

처블 전극을 만드는 것이 최근 추세이다.

그림 13은 그래핀, ITO 그리고 그래핀/ITO 복합 물질

에 대한 내구성, 안정성 그리고 신축성을 비교한 결과를

나타낸다. 5%의 Strain에서는 비교적 기존의 면저항과

비슷한 값을 가져 세 물질 모두 저항 변화가 없는 것을 확

인 했다.

[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].




그러나 10% 이상의 Strain부터는 ITO 단일 박막이 깨지

는 것을 확인하였다. 20%의 Strain에서 ITO의 저항변화

는 125.91이었고 그래핀의 저항변화는 3.28 그리고 그래

핀/ITO 복합 물질의 저항 변화는 17.78을 나타내었다. 그

래핀/ITO 복합 물질은 상대적으로 단일 그래핀 물질보다

는 저항에 대한 안정성이 더 떨어진 것처럼 보이지만 실제

로는 ITO가 그래핀 물질에 첨가되어 단일 그래핀보다 더

낮은 면 저항 값을 가지게 되어 저항 변화가 더 많아 보이

는 것이다. 그래핀/ITO 물질은 그래핀의 기계적, 전기적

으로 우수한 특성 덕분에 당기거나 구부렸을 때 짤 깨지는

ITO 물질 특성을 보완해주는 것을 확인할 수 있었다 [9].

그림 14에서 그래핀 옥사이드(GO) AgNW 네트워크

에 soldering한 물질은 14 ohm/sq의 면저항을 보였고

550nm에서 88%의 고 투과율을 보였다. 또한 위 그래프

를 통해서 우수한 내구성과 신축성을 확인할 수 있었다.

GO-soldered AgNW 네트워크 물질을 4mm로 12000번

구부림에도 불구하고 면저항이 단지 2~3% 정도 증가했

다. 신축성 테스트에서는 20%의 Strain을 Go-soldered

AgNW 네트워크 물질에 가했을 때 초기 면저항의 2.3에

서 2.7배의 저항 변화밖에 없는 것을 확인할 수 있었다.

이는 똑 같은 조건에서 AgNW 네트워크 물질만 있었을

때 신축성 테스트, 유연성 테스트를 했을 때보다 매우 낮

은 저항 값임을 확인할 수 있었다.

이러한 GO-soldered AgNW 네트워크라는 복합 물

[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].





질은 그래핀을 AgNW에 soldering한 덕분에 AgNW의

junction 부분에 damage를 덜 입게 되어 우수한 내구성

과 신축성 그리고 낮은 면저항을 갖는 것을 확인할 수 있

었다. 이러한 특성 덕분에 신장가능한 PLED로 활용하였

는데 이는 0~40%의 Strain 사이에서 100회 신축성 테

스트를 진행했음에도 불구하고 PLED가 그대로 발광하는

것을 확인할 수 있었다. 실온에서는 130%의 직선 변형까

지 늘어나는 특성도 보여주었다 [10].

그림 15에서 나타내는 물질은 그래핀 옥사이드(GO)와

AgNP을 이용하여 만든 복합 투명 신축 전극 물질이다.

이 물질에 Strain이 걸리지 않았을 때의 전기전도도는

3012 S/cm이다. 35%의 Strain이 걸렸을 때의 전기전도

도는 322.8 S/cm로 낮아지는 것을 확인하였다. 기존의

AgNP만 있을 때 신축성 테스트를 했을 때보다 전기전도

도 변화는 적었다. rGO-AgNP 복합물질에 대해 신축성

테스트를 1,500번 했을 때부터 저항변화가 나타나기 시

작했다. 위 복합물질을 통해 LED 배선을 만들어 보았는

데 12%, 25%까지의 스트레칭에는 잘 견뎠지만 50%에서

는 버티지 못하는 것을 확인하였다 [11].

4. 결론

이상에서 최근 차세대 스트레처블 소자의 핵심 부품

소재인 스트레처블 전극 기술에 대해 간략한 소개와 연

구 동향에 대해 살펴 보았다. 스트레처블 전극 (금속전

극/투명전극)은 차세대 스트레처블 디스플레이/태양전

지/전자소자 및 웨어러블 소자를 구현하기 위한 핵심 소

재로 미래지향적인 기술이다. 아직까지는 기초적인 연

구 수준에서 제한된 전극 소재 때문에 PDMS/PU 기판,

PEDOT:PSS, CNT, Ag Nanowire 전극에 국한되어 연

구가 진행되고 있지만 앞으로 치열하게 전개될 스트레처

블 소자 기술의 발전을 위해선 새로운 신규 스트레처블

기판, 전극 소재의 개발이 필요하다. 특히 복합소재 기술

을 이용한 고성능의 스트레처블 전극/기판의 개발이 필요

한 시점이다. 저저항, 고투과, 고연신형 스트레처블 전극

이 국내기술로 개발된다면 기술의 원천성 확보 및 차세대

스트레처블 소자 기술 선점을 위한 매우 유리한 입지를

점할 수 있을 것으로 기대된다.

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Sci. Rep. 5 (2015) 14177

│References│

Documents

차세대 스트레처블 전극의 기술 개발동향 · 2017-11-16 · 웨이비 패턴된 PDMS 기판의 역할을 알아보기 위해 UV/Ozone처리 하지 않은 평평한 PDMS