분해되는 전자 피부! NTU 팀은 어류 비늘로 제작된 투과율 91.1%의 유연한 광전자 기판을 개발합니다

플라스틱 입자와 나노입자가 환경에 미치는 영향이 점점 더 명확해지면서, 특히 분해성 웨어러블 전자 제품 개발에서 광전자 장치에 플라스틱 필름이 미치는 영향이 점차 사람들의 관심을 끌고 있습니다. 중국 난징 공과대학교 연구팀은 가능한 답을 제시합니다: 물고기 비늘 재료를 이용해 분해성 필름 기판을 만드는 것입니다.
 
"전자 스킨"

난징 공업대학 팀은 투명 플라스틱 필름을 사용하는 유연한 AC 전기발광 소자(ACEL)라는 특수 유형의 광전자 제품에 집중했습니다.

ACEL 장치는 얇고 유연한 투명 기판과 그 위에 있는 배선 및 발광 재료로 구성되어 있습니다. 현재 제품들은 이미 균일한 빛 방출을 달성하고 일정한 전력 처리 효율을 갖추고 있습니다. 게다가 이 제품들은 열을 덜 발생시킵니다. 이러한 특성 때문에 이 장치는 웨어러블 전자 제품 개발에 매우 매력적입니다. 개발자들은 심지어 일회용 일회용 '전자 스킨' 활용도 구상했는데, 예를 들어 발광 임시 문신이나 일회용 필름 스톱워치 등이 있습니다. 선수들은 경기 전 피부에 스톱워치를 만들고 경기 종료 후 쉽게 제거할 수 있습니다.
 
지속가능성 위기

이 디스플레이 기술은 사용하기 매우 편리하지만, 많은 사람들이 걱정하게 만들기도 합니다. 이러한 웨어러블 디스플레이 장치의 주요 구성 요소는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC)와 같은 얇고 부드러운 플라스틱 기판이기 때문입니다. 지속 가능성 측면에서 이 재료들의 사용에는 문제가 있습니다. 한편으로는 재생 불가능한 화석 연료 원자재로 만들어지며, 생산 과정이 지구 기후 변화에 큰 영향을 미칩니다.

반면, 폐기물 플라스틱 자체는 쓰레기 형태로 우리의 생활 환경에 더 큰 영향을 미칠 것입니다. 최근 지구물리학 연구 저널의 리뷰에서 지적되었듯이, 미세플라스틱과 나노플라스틱은 거대한 해양 '쓰레기 벨트' 형성에 중요한 역할을 합니다.
 
방치된 원자재

이러한 점을 고려하여, 연구자들은 전자 스킨 응용의 대안으로 사용할 수 있는 기질 재료를 찾고 있습니다. 이 재료들은 환경에 미치는 영향이 매우 적어야 합니다. 현재 후보로는 나무의 셀룰로오스와 실크 단백질이 포함됩니다. 그중 셀룰로오스 도입 자체가 지속 가능성 고려에 부합하지 않으며, 실크 단백질은 일회용 태양광 제품의 대규모 생산에 사용하기에는 너무 비용이 많이 듭니다.
 
난징공업대학교 위하이동, 류주칭, 황웨이가 이끄는 팀은 또 다른 재료인 어류 비늘의 젤라틴에 집중했습니다. 연구자들은 이 물질이 잠재력과 우수한 광전 특성을 가지고 있다고 믿고 있습니다. 더 중요한 것은 원자재 공급이 문제가 아니라는 점입니다. 논문의 저자에 따르면, 이 식용 어류 비늘은 "연간 어류 생산량 7,050만 톤의 3%"를 차지한다. 반면, 스케일 젤라틴은 생분해성으로, 즉 버려진 후 자연스럽게 환경에 통합될 수 있습니다.
 
물고기 비늘에서 빛 방출 장치까지

이 아이디어를 검증하기 위해 난징 공업대 팀은 먼저 어류 비늘을 세척하고 화학적으로 전처리하여 전구체 용액을 만들었고, 이후 연구진은 이를 페트리 접시에 넣어 어류 비늘 젤라틴 필름을 만들었습니다. 테스트 결과 투명 필름은 가시광선 스펙트럼에서 최대 91.1%의 투과율을 가지며, 현재 사용 중인 PET 필름(투과율 90.4%)보다 우수합니다. 이 필름은 또한 매우 유연하며 접을 수 있는 부분도 있습니다. 연구진은 이 필름이 재활용이 쉽다는 것을 발견했습니다(60°C 물에 몇 초간 녹일 수 있음), 또한 생분해 가능하다는 점도 밝혔습니다(토양에서 단 24일 만에 완전히 분해될 수 있습니다).
 
다음으로, 연구팀은 이 물비줄 젤라틴 필름을 여러 발광 장치의 기질로 사용했습니다. 먼저 이 물고기 비늘 젤라틴 필름에 전극으로 사용된 은나노와이어 층을 코팅했고, 이후 스핀 코팅을 통해 발광 물질을 포함한 방출층을 만들었으며, 마지막으로 발광층인 플로어에 은 나노와이어를 사용한 또 다른 전극을 만들었습니다. 연구팀은 교류 방식 적용 하에서 천 번의 굽힘과 이완 사이클 후에도 이 빛 방출 장치가 밝은 빛을 방출할 수 있으며 "빛 강도가 크게 감소하지 않았다"는 사실을 발견했습니다.
 
난징 공업대학 연구진은 이 방법이 "제조 과정에서 해로운 부산물과 전자 폐기물을 발생시키지 않으면서도 더 친환경적인 광전자 제품을 생산할 수 있다"고 결론지었습니다. 그들은 어류 비늘로 만든 필름이 웨어러블 기술 분야뿐만 아니라 유연한 디스플레이 분야에서도 큰 응용 가능성을 지니고 있다고 믿고 있습니다.