김가네

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : Ag 플레이크 신축성 도체의 전기적, 기계적 특성 최적화

영문 : Optimization of the Electro-Mechanical Properties of Ag Flake Stretchable Conductor

과제 팀명

김가네

지도교수

김선홍 교수님

개발기간

2025년 9월 ~ 2025년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 2022340008 김선민(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 2020560036 정재우

서울시립대학교 화학공학과 2022340014 김채윤

서울시립대학교 화학공학과 2022340047 최서연

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 신축성 전자 소자가 신체와 같은 곡면에 잘 부착되기 위해 기판의 높은 신축성이 요구되며 동시에 높은 전도성을 유지해야 하는 과제가 존재한다.

◇ 전도성 필러를 탄성 고분자에 분산시켜 프린팅하는 방식은 전도성과 신축성을 효과적으로 구현할 수 있으나, 필러 함량이 증가하면 전도성이 향상되는 반면 신축성이 감소하는 상충 관계가 발생한다.

◇ 본 연구에서는 이러한 전도성과 신축성의 균형을 맞추기 위해 전도성 필러인 Ag flake와 실리콘 탄성체인 Ecoflex를 기반으로 한 전도체(conductor)를 제작하고, 혼합 비율에 따른 물성 변화를 분석한다. 전도성 필러의 함량과 용매의 비율에 따른 전기적, 기계적 특성을 측정하여 조성물 간의 최적의 비율을 도출할 수 있다.

◇ Percolation threshold는 절연 물질이 전도성 물질로 변환되는 최저 필러 농도, 즉 시료 전체에 걸쳐 전기 경로가 형성되는 최저 필러 농도이다. 제작된 conductor의 경우, 매우 낮은 필러 함량에서 전도성을 갖지 않으며, 특정 Ag flake 농도 이상부터 전도성을 가져 conductor로서 기능을 수행할 수 있다. Ag flake 함량을 미세 조절하여 저항이 측정되는 지점의 농도를 통해 percolation threshold 값을 측정할 수 있다.

개발 과제의 배경

◇ 신축성 전자소자는 웨어러블 기기, 소프트 로보틱스 이식형장치 등에 널리 활용되며, 장기, 피부 등과 같은 곡면에 잘 부착될 수 있다. 곡면에서의 부착성을 높이기 위해서는 기판의 탄성 계수를 낮추는 것이 중요하므로 신축성 전자소자는 높은 전도성과 신축성을 동시에 요구한다.

◇ 이를 위해 전도성 필러를 탄성 고분자에 분산시켜 제작한 잉크를 기판 위에 프린팅하는 방식이 효과적이지만, 전도성 필러 함량에 따라 전도성과 신축성이 반비례하는 상충 관계가 발생한다. 따라서 두 특성이 균형을 이루는 최적의 조성을 찾는 연구가 필수적이다.

◇ 신축성 전자소자의 경우 전도성 필러 함량 ϕ가 percolation threshold(ϕc)에 가까울수록 낮은 strain이 가해져도 전도도가 급격히 하락하고 전도도가 붕괴된다. 이는 신축 환경에서 conductor 내의 전류가 흐를 수 있는 연속 네트워크에 변화가 생겨 쉽게 끊어지며 발생한다. 신축성 전도체의 strain tolerance를 conductor의 ϕ와 ϕc 비율로서 파악하고 신뢰성을 확보한다. 충전재량 ϕ가 많으면 전도성이 상승하지만 입자 간의 rigid domain 형성으로 신축성이 감소하고, ϕ가 적으면 반대로 신축성이 증가하지만 percolation 경계 근처에서 전도도가 붕괴되기에 ϕc 주변의 trade-off 지점을 탐색하는 것이 요구된다.

◇ 본 연구는 Ag flake의 함량 변화에 따른 전도체의 물성을 분석하고, 이를 통해 전도성과 신축성을 동시에 확보할 수 있는 최적 조성을 제시함으로써 전도체 설계 방법론 확립에 기여하고자 한다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 본 연구의 목표는 screen printing/film casting 공정으로 신축성 있는 전도체를 제조하고, 전기전도성과 기계적 신축성 사이의 상충 관계를 체계적으로 평가 및 해석하여 최적의 조성을 도출하는 것이다. 전도성과 신축성이 상충되기 때문에 단순히 전도성 필러의 양을 늘림에 따라 두 특성이 동시에 향상되지 않기에 최적의 비율을 찾는 것이 요구된다.

◇ 전도성 필러인 Ag flake의 양을 변수로 두어 각 실험군마다 양을 다르게 하여 전도체를 제작하여 각 전도체의 물성을 평가하는 과정으로 최적 전극 조성을 얻어 웨어러블 기기 및 유연 소재 개발 등에 적용 가능한 기술을 제시하고자 한다.

◇ 주사전자현미경(SEM) 등과 같은 장비들을 활용하여 전도성과 신축성을 평가하기 위한 parameter들을 측정하여 편차를 최소화하여 정확한 데이터를 도출한다.

◇ 전도성 필러 Ag flake의 양을 조절하며 측정을 통해 전도성 경로가 형성되는 percolation threshold 지점을 파악하여 ϕ와 ϕc의 비율을 계산하고, trade-off 현상을 파악하여 신축성 전자소자의 trade-off 현상에 대해 분석하고 신뢰성을 확보한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

전도성 복합 소재의 핵심 문제인 전도성 필러 함량에 따른 전도성-신축성 상충 관계를 극복하기 위해 다양한 전략들이 연구되었다.

◇ 하이브리드 구조의 기판을 통해 시스템 전체의 신축성을 극대화할 수 있다. Hydrogel은 2000% 이상 늘어날 수 있는 고신축성 소재이지만, 친수성 특성 때문에 Ag/Ecoflex와 같은 소수성 전도체와의 계면 접착력이 약해 기판으로 사용되기 어려운 소재이다. 이를 해결하기 위해 소수성 탄성체 필름을 중간층으로 삽입하여 계면 결합력을 강화하는 방법이 제안되었고, 이러한 하이브리드 기판을 도입하여 전도체 자체의 신축성이 제한적임에도 불구하고, 1780%의 높은 연신율을 달성할 수 있었다.[1]

◇ 전도성 필러를 표면에 집중시켜 네트워크를 형성하게 함으로써 전도성을 개선할 수 있다. 이는 계면활성제 첨가로 잉크의 상분리를 유도하여 구현될 수 있으며, 이를 통해 전도체 내부는 필러 함량이 낮아 유연성이 확보되고, 표면은 필러의 자기조립 네트워크로 인해 높은 전도성을 나타낸다. 한 연구에서는 계면활성제 첨가만으로 초기 전도도는 유지하면서 최대 연신율을 32%에서 194%로 크게 향상시켰으며, 이러한 방식이 기존의 전도성-신축성 상충 관계를 효과적으로 극복할 수 있는 전략임을 보여준다.[2]

◇ 전도성 경로를 효과적으로 형성하는 나노입자를 복합체에서 직접 합성하는 전략도 개발되었다. Ag flake와 불소 고무, 계면활성제를 혼합한 후 열처리하면, Ag flake 표면 산화층에서 Ag⁺ 이온이 방출된다. 이때 계면활성제가 환원제로 작용하여 Ag 나노입자가 in situ로 형성되며, 이 나노입자들이 Ag flake 사이를 다리처럼 연결한다. 그 결과 전도성 네트워크가 형성되기 위해 필요한 최소 Ag flake 함량(percolation threshold)이 절반 이상 감소하였다. 또한 나노입자의 보강 효과로 인해 균열 형성이 억제되어 내구성이 향상되었으며, 400% 변형률에서도 935 S/cm의 높은 전도도를 달성할 수 있었다.[3]

◇ 전도성 필러가 고분자 매트릭스에 부분적으로만 매립된 독특한 구조를 통해 전도성-신축성 상충관계를 해결하는 전략도 있다. 일반적인 전도성 복합재는 필러가 완전히 고분자 내부에 묻혀 있으나, 이 전도체는 필러는 Ag 나노와이어(AgNW)가 고분자 표면에 부분적으로만 묻혀 있다. 이러한 구조는 변형이 가해질 때 AgNW 네트워크로 직접 응력이 전달되지 않고, AgNW 사이의 고분자 영역에서 변형을 흡수 및 분산시키게 한다. 이러한 특성을 이용하여, 한 연구에서는 80 wt% 이상의 높은 필러 함량으로 금속성 전도도(~10⁵ S/cm)를 유지하면서 고분자 자체의 신축성(570%)에 근접하는 높은 연신율(540%)을 달성하였다.[4]

◇ 기계적 보강재의 도입을 통해 전도체의 내구성과 전도성을 동시에 확보하는 전략도 제시되었다. 한 연구에서는 Ag flake/불소 고무 복합재 내부에 전기방사로 제작된 PVDF 나노섬유 네트워크를 도입하였다. 나노섬유 네트워크는 응력을 효과적으로 분산시키고 균열 전파를 억제하여, 전도체의 인성(toughness)을 크게 향상시키고 반복 변형에 따른 저항 변화를 감소시키는 역할을 한다. 또한 나노섬유 네크워크는 프린팅 과정에서 Ag flake를 걸러내는 필터로도 작용하여 Ag flake가 표면에 집중된 이중층 구조를 형성시킨다. 그 결과, 전도도는 보강 전보다 4배 향상된 3667 S/cm를 달성하였고, 450% 변형률에서도 1018 S/cm의 전도도를 유지하였다.[5]

특허조사

◇ Stretchable conductive ink composition 분산된 Ag flake와 낮은 녹는점의 금속 또는 합금을 포함하는 연속적 polymer phase로 구성된 신축성 전도성 잉크가 제공되며, 조성물에 포함된 전도성 flake 사이의 접촉을 유지하는 저융점 금속이나 합금을 포함시킴으로써 조성물의 전도도가 elongation 동안 유지된다. 신축성을 보유하지 않은 기존의 전도성 잉크는 in-mold applications나 웨어러블 응용 분야에서 효용성이 제한되어 이 두 가지 분야에서 특히나 주된 기술이다.

◇ Stretchable conductive film based on silver nanoparticles 본 특허의 제조품은 기판과 stretchable conductive flim을 포함한다. Conductive film은 기판 상에 포진된 복수의 annealing된 Ag nanoparticles 포함한다. 도포 이후 열처리(80 ℃ ~ 200 ℃)하여 나노입자를 서로 연결시키거나 응집시켜 전도성을 갖게끔 한다. 기판이 신장될 때에도 필름이 부착 상태를 유지하며 전도성을 유지한다. 상대적 낮은 온도에서 처리 가능하여 저가 플라스틱 기판 사용 가능성이 알려있고, 곡면 기판 적용 기기 및 인체 접합형 부품 등에 적합한 기술이다.

◇ Silver flake conductive paste ink 인쇄 가능한 전도성 paste/ink는 일반적으로 Ag 입자를 고함량 포함하고, 바인더와 용매가 포함된 조성물로 되어있다. 이때, 은 입자 간 접촉을 확보해 낮은 저항을 얻기 위해 고함량이 요구되기에 비용이 상승하는 문제가 존재하고, 이 특허 기술은 은 함량을 줄이면서도 낮은 저항으로 높은 전도성과 인쇄 성능을 확보하고자 기획된 기술이다. 인쇄 후 후처리 과정을 거쳐서도 내부 구조를 밀접하게 접촉시켜 전도 회로가 강화됨이 확인되고 고성능을 위해 높은 비용이 요구되는 상황에서 비용을 절감할 수 있다는 것에 의의가 있다.

특허전략

◇ 다음은 특허청에서 제작한 특허 동향조사 보고서의 내용으로, 국내 디스플레이 산업에서 LCD, OLED 모두 세계 1위로 평가받고 있었으나, 중국이 시장에 침투하기 시작하며 Flexible OLED 등 기술력을 바탕으로 한 고부가가치 시장 창출은 디스플레이 업계의 절박한 문제라고 평가하고 있다. 차세대 디스플레이 개발의 필요성을 언급하며, 실제 국내적으로나 세계적으로 flexible display/stretchable display 시장 규모가 점차 커질 것이라 전망한다.

◇ IP5 기준으로 특허 출원은 2005년부터 시작되어 2020년 5월 공개 기준까지 553건의 출원을 보이고, 전반적으로 증가세를 보인다. 한국이 181건, 미국이 200건의 출원을 보이며, 한국과 미국의 출원이 IP5 전체 출원의 71.5%를 차지하고 국외에서도 한국 국적의 출원이 높은 것을 통해 전체적으로 한국 국적 출원인들이 가장 경쟁력이 있는 것으로 판단한다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 전도성·신축성 최적화 기술 확보 본 연구를 통해 전도성 필러인 Ag flake의 함량과 용매 비율 등 주요 공정 변수가 전도체의 전기적·기계적 특성에 미치는 영향을 체계적으로 분석함으로써, 신축성과 전도성을 동시에 확보할 수 있는 최적 조건을 도출할 수 있다. 이러한 결과는 단순한 소재 개발을 넘어 신축성 전극의 물성 조절 메커니즘을 이해하는 데 중요한 기초 자료가 된다. 특히 기존에는 전도성을 높이면 신축성이 저하되는 상충 관계(trade-off)가 존재했으나, 본 연구를 통해 두 특성이 공존할 수 있는 조성 설계 방향을 제시함으로써 신축성 전자소자의 성능 향상에 직접적으로 기여할 수 있다.

◇ 프린팅 기반 전극 제조 공정의 고도화 프린팅 공정은 기존의 박막 증착이나 스퍼터링 방식보다 공정이 단순하고 비용이 저렴하며 대면적 패터닝이 가능하다는 장점이 있다. 본 연구에서는 Ag flake/Ecoflex 복합 소재를 활용하여 프린팅 공정의 점도, 경화 조건, 두께 제어 등 세부 매개변수를 최적화함으로써, 균일한 전극 형성 및 반복 인장 후에도 안정적인 전도 특성을 유지할 수 있는 제조 기술을 확립한다. 이는 차세대 유연 전자소자 제작에 필요한 핵심 공정 기술로 발전할 가능성을 지니며 다양한 프린팅 플랫폼(스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅 등)에 적용할 수 있는 확장성을 갖는다.

◇ 복합소재 구조 거동의 정량적 이해 확보 전극의 전기적 특성(전도도, 저항)과 기계적 특성(인장강도, 연신율)을 실험적으로 측정하고 상호 연관성을 분석함으로써 복합 소재의 구조적 거동에 대한 정량적 이해를 확보한다. 이러한 데이터는 향후 유사한 전도성 복합 소재 설계 시 신속한 조성 최적화 및 성능 예측을 가능하게 하며 데이터 기반 소재 설계(Data-driven materials design)의 기초 자료로 활용될 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 웨어러블 및 유연 전자소자 산업 경쟁력 강화 본 연구에서 확보한 신축성 전극 기술은 웨어러블 센서, 전자 피부, 스마트 의류 등 급성장 중인 유연 전자 산업의 핵심 구성요소로 활용될 수 있다. 신축성 전극의 조성 및 제조 기술을 확보함으로써 수입 의존도가 높은 고기능성 전자소자 소재 시장에서 기술 자립을 실현할 수 있으며 이는 국내 전자소자 및 헬스케어 산업 전반의 기술 경쟁력 향상으로 이어지고 신소재 산업의 내재화 및 상용화 촉진에도 크게 기여할 수 있다.

◇ 제조 비용 절감 및 대량 생산 효율성 확보 기존의 진공 증착, 스퍼터링 등 고가 장비 기반 전극 제조 방식에 비해 본 연구에서 제시하는 프린팅 공정은 장비 투자비와 공정 시간을 크게 줄일 수 있다. 특히 점도 조절이 용이한 전도성 잉크 형태로 전극을 제작함으로써 대량 생산 체계를 구축할 수 있고, 유연 소자 양산 시 경제적 효율성이 대폭 향상된다. 이러한 공정 단순화와 생산성 증대는 기업에서 쉽게 적용 가능한 기술적 기반을 제공하여 산업 전반의 생산 비용 절감과 기술 확산을 가속화할 수 있다.

◇ 스마트 헬스케어 및 소프트 로봇 분야로의 확산 개발된 신축성 전극은 인체의 움직임에 따라 변형이 가능한 특성을 지녀 심박수·근전도 등 생체신호를 실시간으로 측정하는 웨어러블 센서나 전자 피부 시스템에 직접 적용될 수 있다. 또한 소프트 로봇 구동부나 인체 인터페이스 장치 등 다양한 차세대 응용 기술에 확장 가능하여 미래형 스마트 헬스케어 및 휴먼 인터페이스 산업 발전에 기여한다. 이러한 기술의 사회적 확산은 고령화 사회에서의 건강관리, 재활치료, 맞춤형 의료기기 개발 등 사회적 가치 창출로 이어질 것으로 기대된다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

1. 선행 기술 분석 및 잉크 조성 설계

◇ 선행 기술 분석을 통해 전도성 잉크 기반 신축성 전극 기술의 경쟁력을 파악하고, 이를 바탕으로 Ag Ink의 배합 비율과 공정 변수를 설정한다.

◇ 담당: 정재우, 김선민

2. 전도성 잉크 제조 및 전극 제작

◇ 설계된 조성에 따라 전도성 잉크를 제조하고, screen printing/film casting 공법을 이용해 전극을 제작한다.

◇ 담당: 김채윤, 최서연

3. 전기적-기계적 물성 평가 및 데이터 확보

◇ 제작된 전도체 시편에 인장 변형을 가하며 전기적 전도성과 기계적 신축성을 동시에 측정한다.

◇ 데이터의 신뢰성을 높이기 위해 SEM/OM을 통해 전극 표면의 미세구조를 분석한다.

◇ 담당: 전원

4. 데이터 분석 및 최적 조성 도출

◇ 데이터를 종합하여 Ag flake 함량 변화에 따른 전도성과 신축성의 경향성을 그래프로 도식화하고, 두 특성 간의 상충 관계를 규명한다.

◇ Ag flake 함량에 따른 초기 전도도 변화에 대한 비선형 회귀 분석을 통해 Percolation Threshold 값을 도출한다.

◇ 두 상반된 경향의 곡선이 교차하는 지점을 분석하여, 가장 효과적으로 물성이 절충된 최적 조성을 도출한다.

◇ 담당: 전원

설계

신축성, 전도성 평가를 위한 설계 및 실험

인쇄형 공정

내용

필름형 공정

내용

Percolation threshold 측정을 위한 설계 및 실험

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

관련사업비 내역서

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용