한양대 유기나노공학과 위정재 교수팀과 한태희 교수팀이 빛이나 전기 자극에 감응하여 능동적이고 가역적으로 3차원 형상 변형이 가능한 첨단 일렉트로닉 소재를 개발했다.

유연 일렉트로닉 소재(Flexible electronics)는 신체의 유선형 형태에 적용할 수 있어 웨어러블 디바이스(Wearable device) 및 센서 등으로 응용할 수 있기 때문에, 전 세계적으로 활발한 연구가 진행되고 있다.

하지만, 일렉트로닉 소재들의 소형화가 진행됨에 따라 소형 유연 일렉트로닉 소재들은 형상 변형을 위해서 몸체를 직접 사람의 손으로 힘을 주어 수동적으로 변형해야 때문에 한계가 존재한다.

또한, 소형화에 따른 공간적 제약으로 인해 형상 변형을 자동으로 진행해 줄 수 있는 기계 시스템 및 구동력을 지속적으로 공급하기 위한 배터리와 같은 동력 시스템의 도입에 제약이 존재한다.

따라서 빛 혹은 전기 자극과 같은 외부 자극을 능동적으로 감응해 상황에 맞춰 형상을 변형할 수 있는 스마트 일렉트로닉 소재의 개발을 통해 유연 일렉트로닉 소재들이 갖는 한계를 넘어설 수 있다.

연구팀이 주목한 핵심 소재인 액정 엘라스토머(Liquid crystal elastomer)는 이방성(anisotropic) 분자 구조를 갖는 고분자 물질로, 분자 배향의 세밀한 조절을 통해 다양한 각도의 굽힘 및 비틀림 등의 변형이 가능하다.

연구팀은 부도체인 액정 엘라스토머 물질을 전자소재로 활용하기 위해 전기전도성이 매우 우수한 2차원 맥신(MXene) 소재를 액정 엘라스토머와 얇은 이중층 형태로 하이브리드 하여, 능동적/가역적 형상 변형이 가능한 첨단 전자소재를 개발했다.

액정 엘라스토머/맥신 이중층의 총 몸체 두께는 50마이크로미터로 얇은 필름 형태로 제작됐으며, 맥신 층의 경우 총 몸체 두께에 비해 133배 얇은 0.37마이크로미터 두께로 적용됐다.

해당 이중층은 얇은 두께로 인해 유연하게 구부러질 수 있으며 맥신 표면의 다양한 수산기, 산소기와 액정 엘라스토머 내의 액정 분자들 사이의 수소결합을 통해 우수한 계면 접착력이 발생돼 내구성 또한 뛰어나다.

실제로, 연구팀은 전도성을 갖는 액정 엘라스토머/맥신 이중층을 실제 전자 회로에 도입해 적외선 자극 하에 가역적 굽힘 움직임을 사용, 전자 회로의 구동을 빛으로 조절하는 스마트 스위치를 구현했다.

또한, 이중층 여러 개를 원하는 형태로 붙인 군집 조립 구조의 도입을 통해 제자리에서 단순 동작을 반복하는 것을 넘어 다기능 발동(Actuation)이 가능했다. 비대칭적 조립 구조를 도입함으로써 굽힘 동작의 반복 시에 한 방향으로 크롤링(Crawling) 모션을 발생시켜 직진 운동을 하거나 에너지를 축적했다. 

이어 순간적으로 발산하는 스냅 스루(Snap-through) 동작을 사용해 점핑 모션과 소형 물체를 멀리 날려보내는 슈팅 모션을 구현했다.

위정재 교수는 “이 연구는 빛을 흡수할 수 있고 전기전도성이 높은 맥신을 사용해 적외선이나 낮은 전압의 전기 자극으로 액정 고분자의 가역적 형상 변화를 유도할 수 있었으며 향후 스마트 안테나, 형상 가변형 2차전지 등과 같은 신규 응용 분야에 적용 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.

해당 논문(제목: Multi-functional locomotion of collectively assembled shape-reconfigurable electronics)은 한양대학교 유기나노공학과 조웅비 석박통합과정생이 1저자로, 강동준 석박통합과정생이 공동 1저자로, 함민정 석사과정생이 공동저자로 참여했으며, 우수성을 인정받아 저명한 국제학술지 「Nano Energy (IF=17.6)」에 게재됐다. 또한 이 연구는 한국화학연구원 및 한국연구재단의 지원을 받아 진행됐다.


*에듀진 기사 URL: http://www.edujin.co.kr/news/articleView.html?idxno=43978
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