최근 웨어러블 전자기기와 전자피부(electronic skin) 기술이 빠르게 발전하면서, 다양한 방향으로 늘어나거나 변형되는 환경에서도 안정적으로 작동하는 전도성 소재의 중요성이 커지고 있다. 그러나 기존 전도성 필름은 구조적 특성상 변형 방향에 따라 전기적 성능 편차가 발생하는 한계가 있었다.

이러한 한계를 극복한 연구가 전북대학교 김태욱 교수와 서울대학교 김대형 교수팀, 미국 일리노이대 어바나-샴페인(UIUC)과의 글로벌 공동연구로 발표돼 학계의 주목을 받고 있다.

연구팀은 늘어나고 구부러지는 환경에서도 안정적인 전기적 성능을 유지하는 전도성 소재를 구현하는 데 성공했다고 밝혔다.

이번 연구는 재료과학 분야 세계적 권위 학술지 『어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials, IF=26.8, JCR 상위 2.1%)』 최신호에 게재됐으며, 연구의 혁신성과 완성도를 인정받아 표지논문(Front Cover)으로 선정됐다.

연구에는 전북대 김승연 박사과정생을 비롯해 서울대학교 김민정, 정손우 석·박사통합과정생, UIUC 최문기 박사후연구원이 공동 제1저자로 참여했으며, 김태욱 교수, 김대형 교수, Qingchang Liu 박사후연구원이 교신저자로 참여했다.

연구팀은 기존 문제의 원인을 나노구조 접촉 방식에서 찾고, 이를 해결하기 위해 2차원 은 나노시트(Ag nanosheets) 기반의 새로운 조립 구조를 제안했다. 특히 나노시트 간 접촉을 ‘면-면(face-to-face)’ 형태로 유도해 접촉 면적을 극대화함으로써, 기계적 변형이 발생해도 전기적 연결이 안정적으로 유지되도록 설계했다.

그 결과 약 115,000 S/cm의 높은 전도도와 50% 이상의 신축성을 동시에 확보했으며, 약 235 nm의 초박형 구조에서도 방향에 관계없이 균일한 전기적 특성을 나타내는 전도성 필름 구현에 성공했다.

또한 coarse-grained molecular dynamics(CGMD) 시뮬레이션을 통해 나노시트의 배열 및 겹침 구조 형성 메커니즘을 규명하고, 소재 설계의 이론적 기반도 제시했다. 나아가 개발된 소재를 활용해 초박형 전자피부를 제작한 결과, 압력 감지와 위치 인식이 가능한 촉각 센서로의 응용 가능성도 확인됐다.

김태욱 교수는 “2차원 나노시트의 조립 방식을 정밀하게 제어함으로써 변형 환경에서도 안정적으로 작동하는 전자소자를 구현한 기술적 성과”라며 “차세대 유연 전자소자의 핵심 소재로서 2차원 금속 나노소재의 가능성을 입증한 연구”라고 설명했다.

한편, 이번 연구는 기초과학연구원(IBS, IBS-R006-A1), 과학기술정보통신부 및 한국연구재단(NRF), 미국 공군연구소(AFOSR) MURI, 미국 국립과학재단(NSF) MRSEC 프로그램 등의 지원을 받아 수행됐다.