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정보전자신소재공학과 정선호 교수 연구팀 신축성, 전도성 갖는 액체금속 입자 개발
“실제 활용 가능한 원천 소재 기술 개발, 액체금속의 단점은 극복하고 장점은 살려”

최근 전자기기 산업의 화두는 새로운 폼 팩터(Form Factor) 개발이다. 세로 방향으로 접는 형태를 넘어, 가로접이식 스마트폰은 대중화 길로 들어섰고, 이중접이식을 넘어 여러 방향으로 기기를 굽히거나 마는 형태로 발전을 꾀하고 있다. 전자기기 형태를 자유로이 변화하기 위해서는 늘리거나 접을 수 있는 신축성과 전도성을 동시에 갖는 소재 개발이 필수다.

정보전자신소재공학과 정선호 교수 연구팀이 자가 활성화 반응을 통해 신축성과 전도성을 동시에 갖는 액체금속 입자 복합체를 개발했다. 연구 결과는 ‘Printable Self-Activated Liquid Metal Stretchable Conductors from Polyvinylpyrrolidone-Functionalized Eutectic Gallium Indium Composites’라는 제목으로 국제 학술지 <ACS Applied Materials & Interface>(IF 9.229)에 표지논문으로 게재됐다.

정선호 교수는 “단순한 연구성과 도출을 넘어 실제 활용 가능한 원천 소재 기술을 개발했다는 점에서 큰 의미가 있다”는 소감을 밝혔다. 제1저자로 연구를 진행한 조예진 박사는 “결과 도출까지 1년이라는 긴 시간이 걸렸다. 산업적으로 의미가 큰 좋은 성과가 나와서 뿌듯한 마음”이라고 말했다.

(왼쪽 사진) 액체금속의 표면에 존재하는 산화물 껍질로 인해 신축성 및 전도성 발현이 불가능함
(오른쪽 사진) 폴리비닐피롤리돈(PVP)의 화학적 역할에 의해 액체금속 표면의 산화물 껍질이 스스로 활성화되어 액체화가 진행됨. 신축성 및 전도성의 동시 확보가 가능함

액체금속 표면에 폴리비닐피롤리돈 흡착시켜 자체 파열 유도

전자소자에 흔히 활용되는 금속은 전도성은 뛰어나지만, 형태를 바꾸기 어렵다. 반면 액체금속은 상온에서 액체처럼 흘러 형태 변형이 자유롭고 높은 전도성을 가져 주목받았다. 하지만 액체금속은 높은 표면장력 특성으로 인해 코팅 및 패터닝 등 공정이 불가능한 한계점이 있다.

학계에서는 액체금속을 낮은 표면장력을 가지는 입자로 합성해 문제를 해결하려 했다. 하지만, 액체금속 입자의 표면에 산화막이 생겨 전도성을 잃었다. 액체금속 입자가 전도성을 갖도록 힘을 가해 산화물 껍질을 파열하면 기판의 다른 부품에도 힘이 가해지는 난제가 발생했다. 정선호 교수 연구팀은 기존 방법과 달리 액체금속 입자에 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrilidone, PVP)을 흡착시켜 산화물 껍질이 스스로 깨지도록 유도했다.

정선호 교수는 “폴리비닐피롤리돈을 액체금속 입자 표면에 붙여 입자 주변의 탄성체를 부드럽게 만들고 동시에 입자와 탄성체 사이의 결합을 강화했다. 그 결과 액체금속 입자 표면의 산화물 껍질이 파열되고, 그 사이에 전도성이 흐른다는 사실을 확인했다”라고 설명했다. 조예진 박사는 “기존 접근방법의 단점을 해결하면서도 액체금속의 장점을 살렸다. 또한 화학적 결합을 제어해 최적의 전도성, 신축성 그리고 안정성을 확보했다”고 강조했다.

새로운 접근방법으로 연구하다 보니 겪는 어려움도 있었다. 조예진 박사는 “연구 결과를 표준화하는 방법을 많이 고민했다. 그동안 고체입자를 주요 연구 소재로 다뤄 액체금속을 다룬 적이 많지 않았다. 연구 초기 액체금속의 무게를 재는 사소한 일부터 실험 결과의 정확성을 확보하는 중요한 지점까지 많은 시행착오를 반복했다”고 말했다.

액체금속 입자 복합체와 3차원 프린팅 기술 결합 기대

개발한 액체금속 입자 복합체와 3차원 프린팅 기술의 결합 역시 기대되는 강점이다. 조예진 박사는 지난 2020년 3차원 프린팅 기술을 응용해 구리 회로 전극을 프린팅하는 데 성공했다. 정선호 교수는 “이번 연구로 액체금속 입자를 프린팅할 수 있다는 사실이 입증됐다. 연구팀이 보유한 3차원 프린팅 기술력을 활용해 다양한 형태로 쉽고 편리하게 전극을 프린팅할 수 있을 것”이라고 말했다.

전극 소재는 ‘스트레처블 디스플레이’, ‘웨어러블 디바이스’를 넘어 로봇 및 인공피부와 같은 첨단 분야에서도 다수 활용될 전망이다. 정선호 교수는 “인공 팔은 3차원 형상을 가진 뼈대를 인공피부가 덮고 있다. 뼈대와 인공피부 모두 구부리거나 늘릴 수 있어야 한다. 이런 구조물에 전극 회로를 만들려면 이번에 개발한 액체금속 입자 복합체처럼 신축성과 전도성을 지녀야지만 가능하다”고 설명했다.

연구팀은 휴머노이드 로봇에 적용될 수 있는 센서 및 이차전지 기술들을 바탕으로 다양한 미래 산업 분야 연구진과 공동연구를 진행하고 있다. 이 외에도 복합소재 합성 기술을 이용해 3차원 프린팅이 가능한 전자소자 및 에너지 소자를 지속적으로 연구할 계획이다.

연구팀은 개발한 기술을 바탕으로 휴머노이드 로봇, 2차전지 등 미래 산업에 적용하기 위해 여러 연구진과 공동연구를 진행하고 있다.

글 김율립 yulrip@khu.ac.kr
사진 정병성 pr@khu.ac.kr

ⓒ 경희대학교 커뮤니케이션센터 communication@khu.ac.kr