Nanomaterials on flexible substrates to explore innovative functions: From energy harvesting to bio-integrated electronics

연구 배경

고품질 박막과 나노재료는 낮은 공정 온도만 견디는 탄성 기판 위에 직접 증착하기 어렵습니다. 종설은 건식 전사 인쇄와 탄성 기판의 신축성을 이용해 균일한 나노 틈과 나노 주름을 만드는 방법이 고성능 무기 나노재료와 유연 지지체의 결합을 가능하게 했다고 설명하며, 유연 전자소자 연구가 재료 개발에서 새로운 소자 기능 구현으로 옮겨 가고 있다고 정리합니다.

종설의 구성

종설은 기능별로 구성되어 있습니다. 2절은 압전 현상과 특이한 형태의 압전 나노발전기, 3절은 유연 기판 위 나노재료로 만든 화학 센서와 압력 센서, 4절은 시각 보철, 약물 방출 제어, 생체 통합 회로를 다룹니다. 각 사례에 대해 재료, 구조 또는 전사 방법, 작동 원리와 보고된 출력을 설명합니다.

종설이 다룬 범위

표 1은 대표적인 압전 박막과 나노재료의 압전 전하 계수와 상대 유전율을 비교하고, 표 2는 Si, 탄소나노튜브(CNT), 그래핀, 산화 그래핀, 금속 산화물, Pd 감지 재료로 검출한 기체를 정리합니다. 그림에는 인용 연구의 사례로 버클링된 지르콘산티탄산납(PZT) 리본, 나노와이어 가스 센서, 나노구조 폴리디메틸실록산(PDMS) 압력 센서, 나노와이어 전자 피부, 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT) 변형 센서, 망막 미세전극 배열, 변형 반응형 마이크로캡슐, 실크 미세바늘, 심장·뇌·피부에 밀착하는 전자소자가 실려 있습니다.

종설의 주요 정리 내용

에너지 수확 분야에서 종설은 웨어러블 소자에 필요한 변형이 압전 재료의 파괴 한계를 넘는 경우가 많다는 점을 강조합니다. ZnO의 압전 전하는 벌크의 9.93 pC N⁻¹에서 나노벨트 형태의 26.7 pC N⁻¹로 커지고, 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF) 나노섬유는 최대 약 2%의 변형을 견디지만 결합 특성이 약하며, PZT는 인장 변형 0.2%에서 파괴된다고 정리합니다. 미리 늘인 PDMS 위의 버클링된 PZT 나노리본은 약 8%의 변형을 견디며 약 2.5 μA/mm2의 전류밀도를 보여 PZT 나노와이어 소자의 약 0.1 μA/mm2보다 높았고, 사람 팔에 부착한 ZnO 나노와이어/PVDF 복합 섬유는 약 0.1 V와 10 nA cm⁻²를 냈습니다.

화학 센서 분야에서는 고품질 반도체를 플라스틱으로 옮기는 건식 전사를 다루며, 전사된 나노재료가 형태를 잃거나 손상되어 성능과 수율이 떨어질 수 있다고 지적합니다. 사례로 200 ppb까지의 이산화질소(NO2)에 반응한 전사 Si 나노와이어 배열, 상온에서 350 °C까지 0.5~10 ppm NO2에 민감한 CNT/환원 그래핀 막, PDMS 위 Pd 박막을 늘려 25% 변형에서 300 nm로 조절한 나노 틈이 수소를 흡수하면 닫히고 방출하면 다시 열리는 리소그래피 없는 방법을 소개합니다.

압력 센서 분야에서는 20 mg 파리(3 Pa에 해당)를 감지하고 유사 재료의 이전 소자보다 100배 이상 빠르게 응답한 미세구조 PDMS 유전층, 감압 고무와 결합해 2.2~14.4 kPa 범위에 반응하고 곡률 반경 2.5 mm로 2000회 굽힌 뒤에도 안정적이었으며 작동 화소 비율 84%의 19×18 화소 전자 피부를 구현한 Ge/Si 나노와이어 배열 트랜지스터, 280%까지의 변형을 견디고 14 ms에 응답한 정렬 SWCNT 막 변형 센서를 정리합니다.

생체전자 분야에서는 망막 신경세포의 최대 약 80%가 살아 있다는 점에 근거한 망막 보철을 소개하고, 나노결정 다이아몬드 미세전극이 Pt 전극의 10~100 μC/cm2보다 높은 수백 μC/cm2까지 전하를 주입했다고 정리합니다. 또한 8.5% 변형에서 평탄해지고 변형이 클수록 더 많은 분자를 방출한 PDMS 위 버클링 마이크로캡슐, 2시간 동안 지속 방출을 보인 실크 미세바늘, 288개 단위 셀에 트랜지스터 2016개를 집적해 요크셔 돼지 심장에서 시험한 심장 지도화 소자, 녹는 실크 지지체로 옮긴 2.5 μm 메시 폴리이미드 전극이 고양이 뇌에서 안정적인 기록을 얻은 사례, 탄성률 약 60 kPa·두께 약 30 μm의 실리콘 시트 위에 만들어 별도 접착층 없이 반데르발스 힘만으로 피부에 붙는 피부 전자소자를 다룹니다.

남은 과제

저자들은 완전히 집적된 유연 시스템의 상용화를 위해 해결해야 할 과제로 네 가지를 듭니다. 높은 변형을 견디는 기판, 변형 상태에서도 재료와 전자 특성을 유지하는 방법, 나노재료 정렬 제어에 좌우되는 대면적의 동일 소자 제작, 반복적인 굽힘과 접힘에서 누적되는 잔류 응력 문제입니다.

다른 연구와의 연결

피부 전자소자에 관한 관련 논문은 이 종설이 생체 통합 시스템 절에서 정리한 연구 중 하나로, 얇고 탄성률이 낮은 실리콘 시트 위의 전자소자를 별도 접착층 없이 피부에 밀착시킵니다.