전북대, 유연 전도성 필름 구조 설계 기술 개발… 전도도 11만 S/cm·신축성 50% 확보

2차원 은 나노시트 면접촉 구조 적용… 변형 방향 관계없는 전기적 안정성 구현

웨어러블 기기와 전자피부 기술이 확산되면서, 늘어나거나 구부러지는 환경에서도 안정적으로 작동하는 전도성 소재에 대한 요구가 커지고 있다. 그러나 기존 전도성 필름은 변형 방향에 따라 전기적 성능이 달라지는 구조적 한계를 갖고 있었다. 전북대학교 유연인쇄전자전문대학원 김태욱 교수 연구팀은 서울대·미국 일리노이대(UIUC)와의 공동연구를 통해, 변형 환경에서도 전기적 성능을 안정적으로 유지하는 전도성 소재를 개발했다. 이번 연구는 유연 전자소자의 핵심 제약이었던 성능 불균일 문제를 구조 설계로 해결한 사례다.

연구팀은 문제의 원인을 나노구조의 접촉 방식에서 찾았다. 기존 전도성 필름은 나노 입자 간 접촉이 불균일하게 형성되면서, 늘어나거나 변형될 때 전기적 연결이 끊어지거나 성능 편차가 발생하는 문제가 있었다. 연구팀은 2차원 은 나노시트(Ag nanosheets)를 활용해 접촉 구조를 근본적으로 바꿨다. 나노시트 간 접촉을 ‘면-면(face-to-face)’ 방식으로 유도해 접촉 면적을 극대화함으로써, 변형이 발생해도 전기적 연결이 유지되도록 설계했다.

구조 변화는 성능으로 이어졌다. 개발된 소재는 약 115,000 S/cm 수준의 높은 전도도와 50% 이상의 신축성을 동시에 확보했으며, 약 235nm 두께의 초박형 구조에서도 방향에 관계없이 균일한 전기적 특성을 유지하는 것으로 나타났다. 이는 기존 소재에서 어려웠던 ‘성능–유연성’ 동시 확보를 달성한 결과다. 연구팀은 실험 결과를 이론적으로도 검증했다. coarse-grained molecular dynamics(CGMD) 시뮬레이션을 통해 나노시트 배열과 겹침 구조 형성 메커니즘을 분석하고, 전도성 유지 원리를 규명했다. 이는 단일 성과를 넘어, 소재 설계의 이론적 기반까지 제시했다는 점에서 의미가 있다. 개발된 소재는 실제 응용 가능성도 확인됐다. 연구팀은 이를 활용해 초박형 전자피부를 제작했으며, 압력 감지와 위치 인식이 가능한 촉각 센서로의 적용 가능성을 실험적으로 검증했다.

이번 연구에는 전북대 김승연 박사과정생, 서울대 김민정·정손우 연구자, UIUC 최문기 박사후연구원이 공동 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 Advanced Materials 표지 논문으로 게재됐다.

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