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KAIST, 안정화된 액체금속 프린팅 기술개발…맞춤형 생체센서 적용가능

등록 2022.05.25 15:42:32

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기사내용 요약

전기전도성·신축성 우수, 기계·화학적으로 안정적인 액체금속 프린팅 기술
생체부착센서 등 맞춤형 유연 소자 핵심기술…국제학술지 게재

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[대전=뉴시스] 반월판 프린팅을 이용한 액체금속 현탁액 프린팅 개략도(왼쪽)와 프린팅된 전자소자. *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = KAIST는 신소재공학과 스티브 박 교수와 전기및전자공학부 정재웅 교수 공동연구팀이 안정적인 형태의 액체금속을 고해상도로 프린팅할 수 있는 기술을 개발했다고 25일 밝혔다.

액체금속은 높은 전기전도성과 액체의 변형성으로 유연 및 신축성 전자소자에 다양하게 적용되지만 액체상태가 갖는 불안정성과 높은 표면장력 때문에 직접적인 접촉이 필요한 전극이나 고해상도를 요구하는 전자소자 배선으로 사용하는 데는 한계가 있다.

이를 극복키 위해 액체금속을 6~10㎛(마이크로미터) 크기의 입자 형태로 분쇄해 안정화시켜 전자소자에 적용하는 연구가 있지만 표면에 일어나는 산화로 인해 기존의 높은 전기전도성을 상실한다는 단점이 있어 산화막 제거 작업이 필요하다.

이번에 KAIST 연구팀은 고해상도의 노즐 프린팅 과정에서 화학적 변성을 유도하는 방식으로 프린팅 이후 산화막 제거 등의 추가적인 공정 없이 액체금속 입자간의 전기전도성을 확보, 기존 문제점을 해결했다.

이를 위해 프린팅 과정에서 노즐과 기판사이에서 유도된 반월판(meniscus)에서 촉진된 증발로 현탁액(suspension)의 조성을 바꿔 화학적 변성을 유도할 수 있는 시스템을 개발했다.

 프린팅에 사용되는 현탁액을 물과 물보다 끓는점이 높은 약산(아세트산)을 이용해 노즐에서 흘러나온 잉크가 증발함에 따라 점점 강한 산성을 보이게 만들고 추가적으로 기판에 약 60도의 열을 가해 산의 활성 및 화학적 변성을 촉진시켰다

이를 통해 프린팅된 액체금속 입자 배선의 경우에는 별도의 전기적 활성 과정없이 금속과 비슷한 수준의 높은 전기전도도를 확보했다.

또 연구팀은 액체금속 입자의 표면에 전해질을 붙여 기계·화학적 안정성을 향상시켜 프린팅 과정에서 발생할 수 있는 막힘(clogging) 현상을 방지하고 신축성을 높였다.

 프린팅된 액체금속 입자 기반 배선은 약 500%까지 늘려도 저항이 크게 변하지 않아 다양한 신축성 소자에 사용될 수 있고 프린팅을 통해 다양한 기판에 여러 형태로 빠르게 증착할 수 있어 맞춤형 소자에 적용이 가능하다.

특히 전해질이 부착된 액체금속은 생체 친화성이 우수해 피부와 직접 닿을 수 있는 생체전극으로도 사용할 수 있다.
 
연구팀은 액체금속을 상용화된 의료용 테이프 위에 증착해 사용자 신체에 맞춰 최적화된 EMG 센서(근육 움직임으로 인한 미세한 전기신호를 감지하는 센서)를 제작하는데 성공했으며 생분해성 기판 위에 액체금속 전극을 증착, 사용 이후에 의료용 폐기물이 나오지 않는 ECG 센서(심전도 센서)로의 응용 가능성도 제시했다.

KAIST 신소재공학과 이건희, 이예림 박사과정 학생이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)' 온라인판에 지난 12일자로 게재됐다.(논문명 : Rapid meniscus-guided printing of stable semi-solid-state liquid metal microgranular-particle for soft electronics)

스티브 박 교수는 "최근 주목받고 있는 액체금속 입자 기반 현탁액의 새로운 적용 가능성을 보여준 의미 있는 결과"라고 말했고 정재웅 교수는 "헬스케어를 위한 웨어러블, 임플란터블 모니터링 전자소자를 포함한 다양한 유연 및 신축성 전자소자에 핵심 기술로 활용될 수 있을 것"이라고 기대했다.


◎공감언론 뉴시스 kys0505@newsis.com

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