나노스케일 분석 통해 유연 소자의 전도성 및 안정성 확보

유연 전자소자의 핵심 성능을 좌우하는 금(Au) 박막의 최적 두께가 규명되면서, 차세대 웨어러블 디바이스와 바이오센서의 성능 향상이 기대되고 있다. 전북대학교 물리학과 안상민 교수와 최형국 교수 연구팀, 그리고 경북대학교 물리학과 조명래 교수팀은 유연 전자소자의 전극으로 사용되는 금 박막의 최적 두께를 찾아내고, 그에 따른 전기적·기계적 특성을 체계적으로 분석했다.

전극 소재의 핵심, 금 박막 두께가 결정

최근 웨어러블 디바이스, 바이오센서, 유연 디스플레이 등 다양한 분야에서 유연 전자소자 기술이 주목받고 있다. 이러한 소자는 자유롭게 구부러지고 휘어질 수 있어야 하며, 전기적 성능과 기계적 안정성을 동시에 유지하는 전극 소재의 개발이 필수적이다.

연구팀은 다양한 두께(5~100nm)의 금 박막을 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기판 위에 형성한 후, 원자힘 현미경(AFM)과 주사전자현미경(SEM)을 활용하여 나노스케일에서 기계적 및 전기적 특성을 분석했다. 그 결과, 금 박막이 10nm 이하일 경우 전류가 흐르는 경로가 단절되어 전기적 성능이 크게 저하되었으며, 반면 25nm 이상의 박막에서는 우수한 전기적 전도성과 기계적 안정성이 유지되는 것으로 나타났다.

웨어러블 환경에서도 안정적인 성능 유지

특히 연구팀은 금 박막을 구부렸을 때 발생하는 저항 변화를 측정해, 곡률 반경이 3.5mm 이상일 경우에도 전기적 성능이 안정적으로 유지된다는 사실을 확인했다. 이는 금 박막이 웨어러블 디바이스나 바이오센서와 같은 환경에서도 높은 안정성을 갖고 작동할 수 있음을 의미한다.

이번 연구는 금속 박막의 두께와 전기적·기계적 특성 간의 관계를 체계적으로 분석함으로써, 유연 전자소자의 성능 최적화를 위한 과학적 근거를 제시했다. 연구진은 이를 기반으로 향후 유연 디스플레이, 바이오센서, 신축성 배터리 등 다양한 응용 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

차세대 유연 전자소자 발전 기대

연구를 이끈 안상민 교수는 “이번 연구는 유연 전자소자의 핵심 부품인 금 박막의 최적 두께를 규명한 데 중요한 의의가 있다”며, “향후 나노스케일에서의 기계 및 전기적 특성을 더욱 정밀하게 분석해 차세대 유연 전자소자의 성능을 극대화하는 연구를 지속할 계획”이라고 밝혔다.

이번 연구 성과는 물질 코팅 및 필름 분야의 세계적 권위 학술지인 『Applied Surface Science』 최신호(2025년 3월 8일자)에 게재되었으며, 과학기술정보통신부의 지원을 받아 한국연구재단의 G-램프 사업 등을 통해 수행되었다.

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