[지금은 과학] 액체금속, 안정적으로 프린팅한다

[아이뉴스24 정종오 기자] 헬스케어를 위한 생체 부착 센서, 웨어러블 소자, 맞춤형 유연 신축성 소자에 핵심기술로 적용되는 액체 금속 프린팅 기술이 나왔다. 안정적으로 프린팅할 수 있어 주목된다.

카이스트(KAIST, 총장 이광형)는 신소재공학과 스티브 박, 전기및전자공학부 정재웅 교수 공동 연구팀이 안정적 형태의 액체금속을 고해상도로 프린팅할 수 있는 기술을 개발했다고 25일 발표했다.

액체금속은 높은 전기전도성과 액체와 같은 변형성으로 유연과 신축성 전자소자에 다양하게 적용돼왔다. 액체 상태가 갖는 불안정성과 높은 표면장력으로 직접적 접촉을 요구하는 전극이나 고해상도를 요구하는 전자소자의 배선으로 사용하는 것에는 한계가 있었다.

이를 극복하기 위해 액체금속을 6~10㎛(마이크로미터) 크기의 입자 형태로 분쇄해 안정적 형태로 만들어 전자소자에 적용하는 연구가 진행돼왔었다. 이 경우에는 표면에 일어난 산화로 기존의 높은 전기전도성을 상실한다는 단점이 존재했다. 이러한 액체금속 입자를 전기소자에 사용되기 위해서는 기계, 화학적 변성을 통해 표면에 존재하는 산화막을 제거해 전기전도성을 다시 확보하는 과정이 필요했다.

이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 프린팅 과정에서 노즐과 기판 사이에서 유도된 반월판(meniscus)에서 촉진된 증발로 현탁액(suspension)의 조성을 바꾸면서 화학적 변성을 유도할 수 있는 시스템을 개발했다.

먼저 프린팅에 사용되는 현탁액을 물과 물보다 끓는점이 높은 약산(아세트산)을 이용해 증발함에 따라 점점 강한 산성을 보이게 만들었다. 추가로 연구팀은 기판에 약 60℃의 열을 가했다. 잉크의 증발과 산의 활성, 화학적 변성을 촉진했다.

이를 통해 프린팅된 액체금속 입자 배선의 경우에는 별도의 전기적 활성 과정 없이 금속과 비슷한 수준의 높은 전기전도도를 보이는 것을 확인했다.

연구팀은 액체금속 입자의 표면에 전해질을 붙여 기계, 화학적 안정성을 높여 프린팅 과정에서 발생할 수 있는 막힘(clogging) 현상을 방지하고, 액체금속 입자 간에 연결(bridging)을 통한 신축성을 부여했다. 프린팅된 액체금속 입자 기반 배선은 약 500%까지 늘려도 저항이 크게 변하지 않아 다양한 신축성 소자에 사용될 수 있는 것으로 기대된다.

프린팅을 통해 다양한 기판에 여러 형태로 빠르게 증착할 수 있어 여러 맞춤형 소자에 적용될 수 있다. 전해질이 부착된 액체금속은 생체 친화성이 우수해 피부와 직접 닿을 수 있는 생체전극으로도 사용될 수 있다.

연구팀은 액체금속을 상용화된 의료용 테이프 위에 증착해 이용자의 신체에 맞춰 최적화된 EMG 센서(근육 움직임으로 인한 미세한 전기신호를 감지하는 센서)를 제작했다. 생분해성 기판 위에 액체금속 전극을 증착해 사용 이후에 의료용 폐기물이 나오지 않는 ECG 센서(심전도 센서)로의 응용 가능성도 제시했다.

KAIST 신소재공학과 이건희(스티브 박, 정재웅 교수 공동 지도), 이예림 박사과정 학생이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구(논문명 : Rapid meniscus-guided printing of stable semi-solid-state liquid metal microgranular-particle for soft electronics)는 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)' 온라인으로 5월 12일 자에 실렸다.

스티브 박 교수는 "최근 주목받고 있는 액체금속 입자 기반 현탁액의 새로운 적용 가능성을 보여준 의미 있는 결과ˮ라고 말했다.

정재웅 교수는 "헬스케어를 위한 웨어러블, 다양한 유연과 신축성 전자소자에 핵심 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다ˮ고 전했다.