세계 최초 형태 변형 가능한 ‘액체금속 마이크로 입자 잉크’ 개발

국내연구팀, 로봇공학 등 3차원 프린팅과 접목 기대

전자 소자는 접거나 늘리는 등 형태를 바꿀 수 있는 새로운 '폼 팩터'(컴퓨터 하드웨어의 물리적 배열)를 추구하고 있다. 폼 팩터는 기계적인 손상 시에도 전기적 특성이 변하지 않는 전극과 배선 개발이 필요한데, 이를 국내 연구진이 현실화하는 데 성공했다.

포스텍 신소재공학과 정운룡 교수와 비라판디안 셀바라지 박사, 연세대학교 신소재공학과 알로이시우스 순 교수와 장우순 박사 공동연구팀이 고전도성과 점소성(흐름성과 변형성)을 갖는 액체 금속 마이크로 입자 잉크를 개발했다. 연구 결과는 세계적으로 권위 있는 학술지 '네이처 머터리얼스' 4일 자에 게재됐다.

전자 소자에는 보통 금, 은, 구리와 같은 단단한 금속을 전극이나 배선으로 사용하고 있다. 하지만 이런 금속 기판은 조그만 힘만 가해져도 재료에 손상이 생겨 전기 전도성을 잃기 쉽기 때문에 형태 변형이 필요한 소자에는 사용이 어렵다.

반면 상온에서 액체처럼 흐를 수 있는 액체금속은 쉽게 변형이 가능하면서도 높은 전기 전도성을 갖기 때문에 연신성(탄성이 있어 원래로 돌아가려는 성질) 배선으로 활용할 수 있다.

하지만 액체금속을 잉크로 만들 경우 표면에 산화막이 형성돼 프린팅 이후 전도성을 잃을 수 있어 배선으로 사용하기 어렵다.

이에 공동연구팀은 액체금속 마이크로 입자의 산화막에 수소 이온을 도핑해 산화막을 전도체로 전환할 수 있는 방법을 찾아냈다. 또 고분자가 표면에 붙은 산화막은 300% 정도의 높은 연신을 가해도 깨지지 않고 늘어날 수 있다는 사실도 확인했다.

액체금속 잉크를 활용하면 다양한 기판에 3차원 회로의 직접 프린팅이 가능할 뿐만 아니라 인쇄된 전극과 배선이 500% 이상 연신 시에도 저항의 변화가 없다. 아울러 기계적 손상이나 높은 습도, 고온 등과 같은 환경에서도 전기적 특성이 그대로 유지됐다.

연구팀은 "금속 산화물의 높은 점소성 연구는 이번이 최초이며, 앞으로 점소성 있는 반도체 등 차세대 소자 개발에 전환점을 가져올 수 있다"며 "로봇공학이나 인공 피부 등 3차원 프린팅과 접목한 다양한 응용이 기대된다"고 했다.