별도의 전기적 활성화 없이 높은 전기전도성 유지
KAIST "생체전극으로도 활용할 수 있어 헬스케어 핵심 기술로 사용 가능"
(내외방송=정지원 기자) 액체금속 입자의 표면에 전해질을 붙여 안정성을 향상해 프린팅 과정에서 발생할 수 있는 막힘 현상을 방지하고, 신축성을 부여하는 기술이 개발됐다.
KAIST는 25일 "스티브 박 신소재공학과 교수와 정재웅 전기및전자공학부 교수 공동 연구팀이 안정적인 형태의 액체금속을 고해상도로 프린팅할 수 있는 기술을 개발했다"고 밝혔다.
지금까지 액체금속은 높은 전기전도성과 액체의 성질 중 하나인 변형성으로 인해 유연하고 신축성 있는 전자소자에 다양하게 적용됐다.
하지만, 액체가 갖는 불안정성과 높은 표면장력으로 인해 직접적인 접촉을 요규하는 전극이나 고해상도를 요구하는 전자소자의 배선(전기장치를 전선으로 연결)으로 사용하는 것에 한계가 있었다.
이를 극복하기 위해 연구팀은 프린팅 과정에서 노즐과 기판 사이에서 유도된 반월판(반달 모양의 판)에서 촉진된 증발로 현탁액의 조성을 바꾸면서 화학적 변성을 유도할 수 있는 시스템을 개발했다.
먼저 프린팅에 사용되는 현탁액이 물과 함께 물보다 끓는 점이 높은 약산(아세트산)을 이용해 증발함에 따라 점점 강한 산성을 띠게 만들었다.
추가로 기판(전기회로 판)에 약 60℃의 열을 가해 잉크의 증발과 산의 활성화, 화학적 변성을 촉진했다.
이 과정으로 프린팅된 액체금속 입자 배선의 경우에는 별도의 전기적 활성화 과정 없이 금속과 비슷한 수준의 높은 전기전도도를 보이는 것이 확인됐다.
연구팀은 액체금속 입자의 표면에 전해질을 붙여 기계적, 화학적 안정성을 향상해 프린팅 과정에서 발생할 수 있는 막힘 현상을 방지하고, 액체금속 입자 간에 연결을 통한 신축성을 부여했다.
프린팅된 액체금속 입자 기반 배선은 약 500%까지 늘려도 저항이 크게 변하지 않아 다양한 신축성 소자에 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
이 기술은 프린팅을 통해 다양한 기판에 여러 형태로 빠르게 증착할 수 있어 여러 맞춤형 소자에 적용할 수 있다.
특히 프린팅된 액체금속 입자의 기계적, 화학적 안정성으로 인해 기존 액체금속에서는 불가능했던 전극 사용이 가능해졌다.
또, 전해질이 부착된 액체금속은 생체 친화성이 우수해서 피부와 직접 닿을 수 있는 생체전극으로도 사용될 수 있다.
연구팀은 액체금속을 의료용 테이프 위에 뭍여 사용자의 신체에 맞춰 최적화된 EMC센서(근육 움직임으로 인한 미세한 전기신호를 감지)를 제작했다.
더 나아가 생분해성 기판 위에 액체금속 전극을 증착해 사용한 후에도 의료용 폐기물이 나오지 않는 ECG센서(심전도 센서)로 응용할 수 있는 가능성을 제시하기도 했다.
스티브 박 교수는 이에 대해 "최근 주목받고 있는 액체금속 입자를 기반으로 한 현탁액의 새로운 적용 가능성을 보여준 의미 있는 결과"라고 말했다.
정재웅 교수는 "헬스케어를 위한 웨어러벌, 임플란터블 모니터링 전자소자를 포함해 다양한 유연 및 신축성 전자소자에 핵심기술로 활용될 수 있을 것"이라고 기대했다.
한국연구재단의 지원을 받아 수행된 이 연구는 이건희 KAIST 신소재공학과 박사과정과 이예림 박사과정이 공동 제1저자로 참여했다.
이 연구는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스'에 온라인 버전으로 지난 12일 출판됐다.(논문명: Rapid meniscus-guided printing of stable semi-solid-state liquid metal microgranular-particle for soft electronics)
