나뭇잎에도 전자회로 그린다…액체금속 파우더 기반 전자소재 개발

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 기계공학과 박인규 석좌교수 연구팀이 한국전자통신연구원(ETRI) 김혜진 박사팀과 공동으로 원하는 표면 위에 직접 전자회로를 그릴 수 있는 '액체금속 파우더' 기반 전자 소재 기술을 개발했다고 15일 밝혔다.

연구팀이 주목한 소재는 액체처럼 흐르면서도 금속처럼 전기가 잘 통하는 액체금속이다. 하지만 기존 액체금속은 표면장력이 매우 크고 대부분의 표면에서 잘 퍼지지 않는 젖음성 문제 탓에 원하는 위치에 정밀하게 회로를 만들기 어렵고 쉽게 번지거나 뭉치는 한계가 있었다. 이 때문에 별도의 표면 처리나 추가 공정이 필요해 활용에 제약이 있었다.

연구팀은 한계를 해결하기 위해 액체금속을 미세한 가루(파우더) 형태로 만드는 새로운 방식을 개발했다. 이 파우더는 액체금속 입자를 얇은 산화막이 감싸고 있는 구조로, 평소에는 전기가 통하지 않는다.

산화막은 금속이 공기 중 산소와 반응하면서 표면에 형성되는 매우 얇은 막이다. 하지만 붓으로 문지르거나 손가락으로 누르는 등 가벼운 물리적 자극을 주면 산화막이 깨지면서 내부 금속이 서로 연결돼 전기가 흐르게 된다.

파우더를 표면에 바른 뒤 필요한 부분만 눌러 전자회로를 활성화할 수 있는 방식으로 기존 액체금속 회로의 번짐과 정밀 패터닝의 어려움을 극복했다.

이 기술의 가장 큰 특징은 장소와 재질의 제약이 거의 없다는 점이다. 별도의 열처리 없이도 종이, 유리, 플라스틱은 물론 섬유나 살아있는 나뭇잎 표면에도 즉석에서 회로를 구현할 수 있다. 기존 액체금속 회로에서 문제가 되었던 번짐, 침전, 패턴 변형 문제를 크게 줄여 다양한 표면에서 안정적인 회로 제작이 가능하다.

연구팀은 피부 부착형 무선 건강 모니터링 기기와 형태가 자유롭게 변형되는 소프트 로봇 회로 등을 구현하며 실제 응용 가능성을 시연했다. 별도의 복잡한 장비 없이도 다양한 표면 위에 정밀한 회로를 만들 수 있어 웨어러블 헬스케어, 소프트 로보틱스, 유연 전자소자 등 차세대 전자기기 분야에서 활용될 것으로 기대된다.

환경 보호와 지속가능성 측면에서도 의미가 크다. 사용이 끝난 회로는 물에 녹여 분해한 뒤 간단한 화학 처리(수산화나트륨)를 거치면 액체금속을 다시 회수할 수 있다. 회수된 금속은 다시 파우더 형태로 만들어 재사용할 수 있다. 이는 전자폐기물 발생을 줄이는 친환경 전자기기 기술로도 주목받고 있다.

성능 또한 안정적이다. 연구팀에 따르면 개발된 파우더는 상온에서 1년 이상 보관해도 성능을 유지하며 수만 번 굽히거나 비틀어도 회로가 끊어지지 않는다. 이 특성 덕분에 사용 후 사라지는 일시적 전자회로나 사용자 맞춤형 전자기기 개발에도 활용될 수 있다.

박 교수는 "이번 연구는 전자회로 제작을 마치 그림을 그리듯 직관적으로 만들 수 있게 했을 뿐 아니라 재활용까지 가능하다는 점에서 의미가 크다"며 "앞으로 입는 컴퓨터나 형태가 변하는 적응형 사물인터넷(IoT) 시스템 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.

KAIST 기계공학과 굴 오스만 박사후연구원이 제1저자로 참여한 이번 연구 성과는 국제 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)'에 온라인 게재돼 후면 표지 논문으로 선정됐다.

연구는 과학기술정보통신부 재원으로 한국연구재단(NRF) 중견연구자지원사업과 한국산업기술기획평가원(KEIT) 사업의 지원을 받아 수행됐다.

jongseo12@news1.kr