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최근 웨어러블 디바이스, 바이오센서, 디스플레이 등 다양한 분야에서 유연 전자소자 기술이 주목받고 있다. 유연 전자소자는 자유롭게 구부리고 휘어질 수 있는 전자 부품으로, 이를 위해선 전기적 성능과 기계적 안정성을 동시에 유지할 수 있는 전극 재료의 개발이 중요 과제다.
이러한 가운데 전북대학교 물리학과 안상민 교수와 최형국 교수 연구팀(연구원 김광명, 라수연, 양찬욱, 이재현), 경북대학교 물리학과 조명래 교수가 유연 전자소자에 적합한 금(Au) 박막의 최적 두께를 찾아냈다.
이번 연구 성과는 물질 코팅 및 필름 분야 세계적 권위 학술지인 『Applied Surface Science』 최신호(2025년 3월 8일자)에 게재됐다.
금은 우수한 전도성과 내산화성을 지녀 유연 전자소자의 전극 소재로 널리 활용되고 있다. 그러나 박막 두께가 일정 수준 이하로 얇아지면 기계적 강도와 전도성이 급격히 떨어지는 문제가 있다.
연구팀은 다양한 두께(5~100nm)의 금 박막을 PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트) 기판 위에 형성한 후 원자힘 현미경(AFM)과 주사전자현미경(SEM)을 이용해 나노스케일에서 기계적, 전기적 특성을 분석했다.
연구 결과, 금 박막의 두께가 10nm 이하로 얇아지면 전류가 흐를 수 있는 경로가 끊어져 전기적 성능이 크게 떨어졌다. 반면, 25nm 이상의 박막에서는 전기적 전도성과 기계적 안정성이 모두 우수한 것으로 나타났다.
특히 연구팀은 금 박막을 구부렸을 때 발생하는 저항 변화를 측정해 곡률 반경이 3.5mm 이상일 경우 박막의 전기적 성능이 안정적으로 유지된다는 사실도 확인했다. 이는 금 박막이 웨어러블 디바이스나 바이오센서와 같은 유연한 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있음을 의미한다.
이번 연구는 유연 전자소자의 핵심 구성 요소인 금속 박막의 두께와 전기·기계적 특성 간의 상관관계를 체계적으로 분석해냈다는 데 중요한 의미를 지닌다. 연구진은 이를 기반으로 향후 유연 디스플레이, 바이오센서, 신축성 배터리 등의 분야에 널리 적용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
연구 책임자인 안상민 교수는 “이번 연구는 유연 전자소자의 핵심 부품인 금 박막의 최적 두께를 규명한 데 의의가 있다”며, “향후 나노스케일에서 기계 및 전기적 특성을 더욱 정밀하게 분석해 차세대 유연 전자소자의 성능을 극대화하는 연구를 지속할 계획”이라고 밝혔다.
한편, 이 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 한국연구재단의 G-램프 사업 등을 통해 수행됐다.
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