PEDOT:PSS/Polyacrylamide 나노섬유의 미세구조 제어를 통한 신축성 및 기능성 전극재료 개발 연구

신축성 전도체;전도성 고분자;PEDOT:PSS;Polyacrylamide 나노섬유;nanoweb;고신뢰성;고전자이동성;팽윤저항성;투명전극;이온센서;620.1

공과대학 재료공학부 ;

University:서울대학교 대학원

关键词: 신축성 전도체;    전도성 고분자;    PEDOT:PSS;    Polyacrylamide 나노섬유;    nanoweb;    고신뢰성;    고전자이동성;    팽윤저항성;    투명전극;    이온센서;    620.1;   

Others  :  http://s-space.snu.ac.kr/bitstream/10371/141483/1/000000149605.pdf

美国|英语

来源: Seoul National University Open Repository

【 摘 要 】

최근 사용자의 정보를 실시간으로 얻고 적절한 기능을 구현하는 인체 친화형 전자소자가 각광받고 있다. 특히 실시간 헬스케어 분야가 성장함에 따라, 피부에 부착하거나 심지어 인체 내부에 삽입할 수 있는 전자소자를 개발함으로 인체의 건강상태를 실시간으로 진단하고 신속하게 대응할 수 있는 인체 밀착형 의료용 전자소자에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.그러나 기존 실리콘 기반의 전자소자의 경우 인체와 기계적 특성에서 큰 차이를 가지므로 사용자가 착용이 어렵고 움직임에 제약이 발생할 수 밖에 없다. 또한 기존의 전자소자에서는 신체의 복잡한 곡률과 변형률을 고려하여 제작하는 것이 매우 어렵기 때문에, 생체 부착을 통한 정보획득 및 정보전달이 매우 불안정하다. 따라서 인체와 유사한 기계적 특성을 가지며 동시에 안정적인 전도가 가능한 신축성 전자소자의 개발이 매우 중요하다.신축성 전자소자의 개발에서 가장 중요한 요소는 변형시에도 안정적으로 전류를 전달할 수 있는 신축성 전도체라 할 수 있다. 기존 선행연구에서는 금속 배선의 형태를 물결모양 또는 말발굽모양으로 디자인하거나, 또는 미리 신축된 탄성기판 위에 금속을 증착하여 신축성 전도체를 개발하였다. 그러나 금속 기반 신축성 전도체의 경우, 신축가능범위와 신축가능방향이 제한되므로 복잡한 변형특성을 가진 생체와는 여전히 기계적 격차가 존재한다. 이에 인체에 적합한 기계적 특성을 가진 전도성 젤이 기존 금속 기반의 신축성 전도체의 대체재로 주목받았으나, 내부에 존재하는 전도성 고분자 간의 연결이 불안정하여 전도도가 낮고 불안한정한 전류가 흐른다는 단점이 존재한다.본 연구팀은 기존 금속 기반 신축성 전도체가 갖는 전기적 안정성과 전도성 젤이 갖는 기계적 특성을 모두 갖춘 새로운 형태의 신축성 전도체를 개발하였다. 젤을 구성하는 재료인 Polyacrylamide를 접합체로 사용하여 전도성 고분자인 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS)간의 연결을 안정화한 나노섬유를 제작하고, 열처리 및 용매처리를 통해 높은 신축성과 전도성을 가지는 신축전도체로 제작하였다. 본 연구팀은 이 신축성 전도체를 구성재료와 구조에 기인하여 PEDOT:PSS/Polyacrylamide nanoweb으로 명명하였다. 본 재료의 특성을 분석한 결과, 기존 전도성 젤이 가지고 있었던 전류 노이즈나 전류의 이력현상과 같은 전기적 불안정성이 크게 개선되었고, 50% 변형률로 10000회 이상의 반복변형도 견딜 수 있어 기계적 안정성이 뛰어남을 확인하였다. 또한 물을 비롯한 용매 내에서 기존 젤이 가지고 있었던 팽윤현상이 일어나지 않아, 생체 내부와 같은 수중환경에서도 특성을 유지함을 확인하였다.또한 PEDOT:PSS/Polyacrylamide 나노섬유를 얇게 필름 형태로 제작하여 유연기판 위에 부착하면 기계적 안정성이 뛰어난 투명전극과 이온센서의 활물질로 사용이 가능함을 확인하였다. 기존 PEDOT:PSS 필름을 이용한 투명전극의 경우 변형에 취약하여 반복변형 시 저항이 급격하게 증가하는 반면, PEDOT:PSS/Polyacrylamide 나노섬유의 경우 전기적 특성은 유지하면서 50만번의 반복 굽힘변형에도 저항이 크게 증가하지 않았음을 확인하였다. 또한 기존 PEDOT:PSS 필름을 활물질로 사용하는 유기 전기화학 트랜지스터 (Organic Electrochemical Transistors, OECTs)에서 PEDOT:PSS를 대신하여 PEDOT:PSS/ Polyacrylamide를 활물질로 사용하였을 시, 이온검출 기능을 수행할 수 있음을 확인하였다. 본 연구팀은 기존 전도성 젤을 구성하는 재료를 나노섬유 형태로 제작하고 후처리 공정을 통해 신축성을 가지면서 기계적, 전기적 안정성이 향상된 신축성 전도체를 개발하였다. 또한 새로운 물질을 추가하지 않고 기존 신축성 재료의 구조를 제어함으로 신축성을 잃지 않고 동시에 전류 통로의 안정성 및 전자 이동성을 향상시킬 수 있음을 증명하여 새로운 신축성 전극제작의 패러다임을 제시하였다. 더불어 본 재료를 활용하여 유연소자의 배선 및 다양한 기능을 수행할 수 있는 재료로 활용 가능성과 잠재성을 제시하였다.