한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 강지형 신소재공학과 교수팀이 고분자 속 전도성 액체금속 입자 네트워크 제조법을 개발하고 이를 이용해 고무 특성을 갖는 신축성 인쇄 전자회로 기판을 구현했다고 14일 밝혔다.
최근 체내 삽입형 전자소자, 웨어러블 전자소자, 소프트 로보틱스 등에 관심이 증가하면서 우수한 신축성, 전기 성질을 갖는 신축성 전자기기에 관한 다양한 연구가 진행됐다. 이런 신축성 전자기기 실현을 위해서는 고집적 전자기기 제작의 바탕이 되는 신축성 인쇄 회로 기판이 요구된다.
형태가 변하지 않는 인쇄 회로 기판에 사용되는 구리 등 금속을 신축성 고분자 기판 위에 구불구불한 형태로 패터닝 해 신축성 인쇄 회로 기판을 구현한 연구가 제시됐으나, 전자 부품 밀도가 줄어든다는 한계가 있다. 자체적으로 늘어날 수 있고 전기전도성을 갖는 전도성 고분자, 금속 나노 물질 고분자 복합체 등이 제시됐으나 신축 과정에서 급격한 저항 변화를 보여 신축성 인쇄 회로 기판으로 사용되기 어렵다는 한계를 갖고 있다. 한계를 뛰어넘을 재료로 액체금속이 큰 관심을 받게 됐다.
높은 전기전도성, 액체와 같은 변형성으로 신축성 전자소자에 사용하기에 적합하지만, 외부 충격 불안정성으로 실제 인쇄 회로 기판 배선 사용은 한계가 있다. 액체금속을 마이크로 크기 입자로 분쇄한 후 고분자와 섞어 우수한 기계적 성질을 부여하는 방법도 있지만, 액체금속 입자 간 반발력 탓에 전기가 통하지 않는다는 문제점이 있다.
연구팀은 초음파를 이용해 고분자 지지체 내에서 액체금속 입자들을 조립해 전도성 네트워크를 형성했고 신축 과정에서 저항이 변하지 않는 전극을 개발했다. 세계 최초로 구조 공학 없이 5배 이상 늘어나는 신축성 인쇄 회로 기판에 응용될 수 있음을 보였다.

   [액체금속 입자 네트워크 기반 신축성디스플레이 및 신축성광 혈류 측정센서]

연구팀은 절연성 복합체에 초음파를 가하면 액체금속 입자·고분자·액체금속 입자 계면에 나노 크기 액체금속 입자가 집중적으로 형성되고 전도성 입자 조립 네트워크가 만들어지는 것을 확인했다.
만들어진 네트워크는 구리와 비슷한 낮은 전기 저항을 갖고 10배까지 늘렸을 때도 저항이 거의 변하지 않는다. 외부 물리 충격 저항성도 가진다. 초음파에 기반한 비파괴 방식으로 액체금속이 새어 나오는 문제를 해결했고 다양한 전자 부품과 높은 접합력을 얻을 수 있었다.
연구팀은 신축성 고분자 기판 위에 액체금속 입자 네트워크를 패터닝 후 전자 부품과 연결, 신축성 디스플레이 및 광 혈류 측정 센서를 제작함으로써 다양한 신축성 웨어러블 전자소자로의 응용 가능성을 제시했다.
나아가 포토레지스트, 하이드로겔, 자가 치유 고분자 등 다양한 고분자 속에서 동일 방식으로 액체금속 입자 네트워크를 만듦으로써, 기존 신축성 전극 연구들이 보여주지 못한 고해상도 광 패터닝, 체내 삽입형 전자소자에 활용되기 위한 낮은 임피던스를 갖는 전극, 자가 치유가 가능한 액체금속 기반 전극 등 다양한 응용 가능성을 확인했다.
이원범, 김현준 KAIST 신소재공학과 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 사이언스 11월 11일 자 표지 논문으로 게재됐다.
강지형 교수는 “이번 연구를 통해 개발된 액체금속 입자 조립 네트워크 기반 복합 전극은 웨어러블 및 생체 삽입형 전자장치 발전과 상용화에 크게 기여할 것”이라고 말했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단 나노소재기술개발사업 미래기술연구실, 우수신진연구사업, ERC 웨어러블 플랫폼 소재기술 센터 지원을 받아 수행됐다.