▲ (왼쪽부터) 한원배 박사 (제1저자), 고관진 박사 (제1저자), 황석원 교수 (교신저자)

 

고려대 KU-KIST 융합대학원/융합에너지공학과 황석원 교수 연구팀은 친환경/생체친화적 물질 기반으로 고신축성 생분해성 보호막 소재를 개발하고, 발광소자의 수명을 크게 연장시키는 특성을 구현했다. 이번 연구는 생분해성과 유연/신축성을 요하는 다양한 전자소자에 적용되어, 체내 및 습한 환경에서 물리적/전기적 기능을 장시간 안정적으로 유지하는 핵심적인 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.

 

이번 연구결과는 권위있는 재료 학술지 ‘ACS Nano (IF=18.027)’지에 7월 27일 온라인 게재됐다.

 

시한성 전자소자(transient electronics)는 체내 혹은 환경에서 용해/분해/분리되어 물리적 상태 및 전기적 기능을 소멸하는 기술로써, 바이오메디컬 및 친환경 전자 시스템 분야에 혁신을 가져왔다. 그런데, 이러한 소멸특성은 소자 본연의 기능을 일정기간 동안 안정적으로 수행한 후 발현돼야하기 때문에, 전자소자로부터 물 분자의 침투를 막을 수 있는 보호막 기술이 필수적이다. 그동안 유/무기 물질 기반의 다양한 보호막 기술이 보고됐지만, 높은 물 분자 투과율로 인해 전자소자의 수명을 길게 확보하지 못하거나, 단단하고 부러지는 특성으로 인해 시간에 따라 움직이거나 늘어나는 신체 및 다양한 환경으로의 응용을 저해한다. 즉, 높은 보호막 특성과 유연/신축성을 동시에 만족하는 생분해성 소재의 개발이 필수적이다.

 

이번 연구에서는 고신축성/생분해성 고분자에 물 분자 투과율이 낮은 나노입자와 마이크로스케일의 초소수성 표면구조를 도입해서, 높은 보호막 성능을 갖는 소재를 개발했다. 전자소자의 수명을 연장할 수 있는 능력이 기존 보호막 기술에 대비해 매우 우수했고, 심지어 유연/신축 변형 하에서도 보호막 성능을 유지하는 놀라운 성능을 보였다. 더 나아가, 이 특성들을 이론적 모델을 통해 검증하고, 발광 소자에 접목시킴으로써, 다양한 생분해성 전자소자의 수명 제어 기술로의 응용 가능성을 제시했다.

 

 

연구진은 먼저 고신축성/생분해성 고분자를 합성하고, 여기에 생체친화성/생체적합성을 갖는 나노입자를 적절한 비율로 배합해 용액을 제조했다. 그리고, 이 용액을 몰딩해서, 미세기둥 표면구조를 갖는 복합소재 필름을 간편하게 제작했다. 이 필름은 높은 유연/신축성과 인성(toughness), 그리고 초소수성을 보였으며, 반복적인 기계적 변형 하에서도 이러한 특성들이 잘 유지됨을 확인했다.

 

대표적인 시한성 물질인 마그네슘(Mg) 전극 위에 이 복합소재 필름을 붙이고 물 속에 넣어, 전극의 전도도를 모니터링함으로써 필름의 보호막 성능을 평가했다. 그 결과, 고분자만 사용했을 때 대비해서 2000% 이상의 보호막 성능을 증가시킬 수 있었으며, 이 특성은 기존에 보고된 유/무기 기반 보호막 소재와 대비해서도 월등하다. 게다가, 반복적인 신축 변형 후에도 높은 보호막 성능을 유지할 수 있음을 확인했다.

 

연구진은 소재가 신축 변형에 관계없이 높은 보호막 특성을 보이는지 메카니즘을 검증했다. 먼저, 표면 미세기둥 구조가 초소수성을 유도함으로써 물의 침투시간을 지연시키는 사실을 현미경으로 확인했다. 그리고, 나노입자는 물의 투과율이 매우 낮은 물리적 장애물로써 작용해, 필름 내 물 분자의 확산을 제한한다는 사실을 기존에 정립된 이론적 모델을 통해 검증했다. 더 나아가, 두 가지 메카니즘이 외부의 신축 변형 하에서도 크게 영향을 받지 않는다는 것을 계산과학으로 증명했다.

 

최종적으로, 연구진은 개발된 보호막 소재를 적외선 발광소자의 기판 및 보호막 소재로써 응용했다. 그 결과, 100% 신축 변형을 가해도 보호막 소재가 전자소자의 물리적/전기적 거동을 저해하지 않는다는 사실을 확인했고, 물 속에서 약 30일 동안 발광소자의 전기적 기능을 안정적으로 확보할 수 있음을 증명했다.

 

황석원 교수는 “이번 연구결과는 전자소자의 장시간 안정적 작동에 필수적인 생분해성 보호막 소재와 관련 기술을 개발한 것으로, 고신축/유연 전자소자에 적용되어 기존 소재로는 달성하기 힘들었던 수십일 이상의 긴 수명을 확보할 수 있을 것이고, 스프레잉(spraying), 딥코팅(dip coating) 등의 프로세스가 접목될 경우 적용가능성이 확대될 것”이라고 기대했다.

 

이번 연구는 한국연구재단 개인기초연구 중견후속사업, 전자약 기술개발사업 및 정보통신기획평가원 ICT 명품인재양성사업의 지원을 받아 수행됐다.

 

▲그림1. a. 개발된 고신축성 생분해성 보호막인 composite-based arrayed pillar (CAP) 필름의 초소수성과 높은 신축 변형 안정성. b. 마이크로기둥이 배열된 CAP 필름의 표면구조와 (좌, 중앙) 생분해성 탄성 고분자인 PLCL과 PTFE (or SiO2) 나노입자로 구성된 미세구조 (우). c. PLCL과 개발된 CAP 보호막 필름의 물투과 실험 비교. d. 물 속에서 생분해성 소재인 Mg 전극을 보호해 전도도를 유지하는 실험을 통해 증명된, CAP 필름의 훌륭한 보호막 특성. 기존에 개발된 유기물 기반 보호막 대비, 약 2000% 증가된 보호막 성능을 나타냄. e. 다양하고 반복적인 신축 변형 후에도 높은 보호막 성능을 유지하는 CAP 필름.

 

▲그림2. a. 높은 보호막 특성을 나타내는 주요 메커니즘: 표면에서 물의 침투를 지연시키는 초소수성 미세기둥과 물 투과를 물리적으로 막아 확산을 제한하는 나노입자. b. 미세기둥 구조의 도입으로 달성한 초소수성. c. 신축 변형 하에서도 유지되는 초소수성과 계산적 검증. d. 신축 변형 하에서도 물의 접촉을 제한하는 초소수성을 보이는 형광현미경 사진. e. 나노입자의 부피비 증가에 따른 물 분자 확산도의 감소와 이론적 모델을 통한 검증. f. 신축 변형 하에서도 유지되는 단위 면적당 나노입자의 부피비. g. 신축 변형 하에서도 유지되는 물 분자의 낮은 확산도.

 

▲그림3. a,b. CAP 필름을 기판과 보호막 소재로 사용하고, 생분해성 소재인 Mg을 전극으로 사용한 적외선 발광 소자의 개략도 a와 사진 b. c. 적외선 카메라로 측정한 신축 변형 전/후 소자의 발광 효율 (구동 전압: 5 V). d. 신축 변형 하에서도 변하지 않고 유지되는 발광 효율. e. 생리식염수에 소자의 절반을 넣고 시간에 따른 발광 효율을 모니터링함으로써 증명된, CAP 필름의 훌륭한 보호막 성능. f. CAP 필름의 높은 보호막 성능으로 인해, 물 속에서 약 25일 동안 소자가 안정적 기능을 유지하고, 약 30일에 소멸하는 결과를 나타내는 시간에 따른 소자의 발광 세기 변화.

 

■ 논문 정보
* 제목: Micropatterned Elastomeric Composites for Encapsulation of Transient Electronics
* URL: https://doi.org/10.1021/acsnano.3c03063

 

-출처: KAIST 뉴스