부산대 서민호 교수팀, 1만 번 굽혀도 안정적인 그래핀 유연센서 접합 기술 개발

3D 그래핀과 금속 전극 안정적으로 연결하는 초소형 이종접합 기술 제시…웨어러블 센서·휴대형 바이오센서 적용 가능성 입증

부산대학교 연구팀이 반복적으로 휘어지는 환경에서도 안정적으로 작동하는 3차원 그래핀-금속 전극 접합 기술을 개발했다. 이번 성과는 웨어러블 센서, 전자피부, 휴대형 전기화학 바이오센서 등 차세대 유연전자소자의 소형화와 내구성을 높일 수 있는 기반 기술로 주목된다.

부산대학교는 의생명융합공학부 서민호 교수 연구팀이 3차원 그래핀과 금속 전극 사이의 전기적 연결 안정성을 높인 초소형·고내구성 이종접합 기술을 개발했다고 6일 밝혔다.

이종접합은 서로 다른 물질이 맞닿아 전기적·기계적으로 연결된 구조를 뜻한다. 이번 연구에서는 3차원 그래핀과 금속 전극이 은 나노입자를 통해 안정적으로 연결된 구조를 구현했다.

손목, 손가락, 피부, 로봇 표면처럼 자유롭게 휘어지는 환경에서도 작동하는 유연전자소자는 웨어러블 헬스케어, 전자피부, 인간-로봇 인터페이스, 현장진단용 바이오센서 등 다양한 분야에서 활용 가능성이 크다.

특히 레이저 유도 그래핀(Laser-Induced Graphene, LIG)은 유연한 고분자 기판 위에 직접 형성할 수 있고 전기적·기계적 특성이 우수해 차세대 유연센서 소재로 주목받고 있다. 레이저 유도 그래핀은 폴리이미드와 같은 고분자 기판에 레이저를 조사해 표면을 그래핀성 탄소 구조로 바꾸는 기술로, 별도 전사 공정 없이 원하는 위치에 그래핀 패턴을 만들 수 있다는 장점이 있다.

그러나 3D 그래핀 기반 소자를 실제 전자소자로 구현하기 위해서는 그래핀과 금속 전극을 안정적으로 연결하는 기술이 필요하다. 기존 전도성 잉크나 페이스트 방식은 잉크가 넓게 퍼져 소형화가 어렵고, 반복 굽힘 과정에서 접합부 균열이나 박리가 발생해 소자의 신뢰성을 떨어뜨릴 수 있다는 한계가 있었다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 금속 전극 내부에 오목한 저장소 형태의 ‘리저버’ 구조를 만들었다. 이후 리저버 안에 은 나노입자 잉크를 국소적으로 주입하고, 온도 제어를 통해 잉크 용매를 선택적으로 증발시키는 접합 공정을 개발했다.

이를 통해 잉크가 넓게 번지는 문제를 줄이고, 3차원 다공성 그래핀과 금속 전극 사이에 치밀한 초소형 전기 접합을 형성했다. 리저버 구조는 접합부를 금속 전극 내부에 위치시켜 반복 변형 시 발생하는 응력 집중을 줄이고, 전기적 연결부의 기계적 안정성도 높이는 역할을 한다.

85℃·85% 습도에서도 안정…1만 회 이상 반복 굽힘 견뎌

개발된 접합 기술은 전기적 성능과 기계적 내구성 모두에서 우수한 결과를 보였다.

연구팀은 전송선로법(TLM) 분석을 통해 접합부의 접촉저항이 7.14Ω 수준으로 낮게 형성됨을 확인했다. 또한 85℃, 상대습도 85%의 가혹 환경에서도 안정적인 저항 특성을 유지했다.

기계적 안정성도 확인됐다. 유한요소해석(FEM) 결과, 리저버 구조는 반복 굽힘이나 인장 변형 시 접합부에 집중되는 응력을 효과적으로 분산시키는 것으로 나타났다. 실제 반복 굽힘 실험에서도 개발된 소자는 2mm 수준의 작은 굽힘 반경과 1만 회 이상의 반복 굽힘 조건에서 안정적인 전기적 특성을 유지했다.

연구팀은 이번 기술의 실용성을 검증하기 위해 웨어러블 굽힘 센서와 휴대형 전기화학 바이오센서를 제작했다.

웨어러블 굽힘 센서는 손가락 움직임을 안정적으로 감지해 로봇 그리퍼를 실시간으로 제어하는 데 활용됐다. 이는 향후 인간-로봇 인터페이스 기술로 확장될 수 있는 가능성을 보여준다.

또한 연구팀은 3전극 기반의 소형 LIG 전기화학 센서를 제작해 염증 및 대사 관련 바이오마커로 알려진 요산을 검출했다. 해당 센서는 스마트폰 기반 휴대형 포텐시오스탯과 연동해 사용할 수 있으며, 아스코르브산, 도파민 등 주요 간섭물질과 인공 타액 조건에서도 요산을 선택적으로 검출할 수 있음을 확인했다.

이번 연구는 3D 그래핀 기반 유연전자소자의 소형화와 장기 안정성을 높일 수 있는 전극 접합 기술을 제시했다는 점에서 의미가 있다. 향후 웨어러블 센서, 로봇 인터페이스, 전기화학 바이오센서, 체내 삽입형 전자소자, 수중·고습 환경용 유연소자 등 다양한 차세대 전자시스템의 기반 기술로 활용될 수 있을 것으로 전망된다.

연구를 주도한 서민호 교수는 “이번 연구는 3D 그래핀의 우수한 소재 특성을 실제 유연전자소자와 센서 시스템으로 안정적으로 구현하기 위한 연결 기술을 제시한 성과”라며 “3D 그래핀 기반 유연전자소자의 소형화, 고신뢰성, 장기 안정성을 동시에 확보함으로써 웨어러블 헬스케어와 인간-로봇 인터페이스, 현장진단 바이오센서 분야의 실용화에 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 논문은 ‘Bending-Resistant Intimate 3D Graphene–Metal Heterojunctions for Highly Sensitive and Robust Flexible Sensors’라는 제목으로 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’ 온라인 7월 2일자에 게재됐다.

연구에는 부산대 정보융합공학과 박세영·신유겸 연구원이 공동 제1저자로 참여했으며, 정보융합공학과 양나경·이소미 연구원, 의생명융합공학부 박경환 연구원이 공동저자, 의생명융합공학부 서민호 교수가 교신저자로 참여했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원, 부산대 BK21 FOUR 대학원혁신지원사업 및 인공지능융합혁신인재양성사업, 교육부와 부산광역시가 지원하는 부산대 글로컬대학30 사업의 부산지역혁신중심 대학지원체계(RISE) 사업 지원을 받아 수행됐다.

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