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한국과학기술원(KAIST) 전기·전자공학부 정재웅 교수와 신소재공학과 스티브 박 교수, 서울대 박성준 교수 공동 연구팀은 온도에 따라 딱딱함과 부드러움을 자유자재로 조절할 수 있는 액체금속 전자잉크를 개발했다고 4일 밝혔다.

연구팀은 기존 딱딱한 전자기기의 한계를 극복하기 위해 체온 근처(29.8도)에서 녹는 액체금속 갈륨에 주목했다.

갈륨은 고체 상태에서는 매우 단단하지만 녹으면 부드러운 액체가 돼 큰 폭의 강성 변화가 가능하다.

다만 물방울처럼 뭉치려는 성질과 액체 상태에서의 불안정성 때문에 정밀한 회로 제작이 어려웠다.

연구팀은 갈륨의 산성도(pH)를 제어해 자유자재로 강성을 조절할 수 있는 기술을 개발했다.

우선 ㎛(마이크로미터·100만분의 1ｍ) 크기의 갈륨 입자를 중성 용매에 고분자와 함께 섞어 전자 잉크를 제작했다. 용매의 중성 상태 덕분에 갈륨 입자가 고분자에 고루 분산돼 안정적으로 잉크가 만들어진다.

회로를 인쇄한 후에는 중성 용매가 가열되는 과정에서 산성 물질을 생성하면서 잉크가 산성화되고, 갈륨 입자 표면의 산화막이 제거되면서 전도성을 띠게 된다.

상온에서 고해상도 인쇄가 가능하면서도, 인쇄를 끝낸 뒤에는 우수한 전기전도성과 가변 강성을 갖는 전자소자를 구현할 수 있다.

플라스틱처럼 딱딱한 상태에서 고무처럼 말랑한 상태까지 자유자재로 변할 수 있다.

가변강성 웨어러블 기기 ⓒKAIST 제공

연구팀은 이번에 개발한 기술을 이용해 평소에는 고정적인 형태였다가 몸에 착용하면 유연해지는 웨어러블 헬스케어 기기를 개발했다.

수술 시 딱딱한 상태로 뇌에 삽입했다가 뇌 조직 내에서는 부드럽게 만들어 조직 염증반응을 최소화하는 뇌 탐침으로도 활용할 수 있다.

정재웅 교수는 "액체금속 프린팅의 고질적인 문제를 해결하고 상온에서 초정밀 고해상 회로 제작을 가능하게 한 것이 이번 연구의 핵심"이라며 "다목적 전자기기, 의료 기술, 로봇 분야 등에 응용할 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스' (Science Advances) 지난달 30일 자에 실렸다.

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