스스로 코팅되는 액체금속… 차세대 초신축 전극 활용 가능성 실마리

스스로 코팅되는 액체금속… 차세대 초신축 전극 활용 가능성 실마리

 

등록일2022.11.16.

 

 

 

 

스스로 코팅되는 액체금속…
차세대 초신축 전극 활용 가능성 실마리
- 침염현상 이용해 재현성있는 코팅 공정 및 패터닝 방법 개발 -
  

□ 액체금속이 복잡한 공정 없이 자발적으로 코팅되는 기술이 국내연구진에 의해 개발됐다. 

□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 구형준 교수(제1저자 김지혜/김수영, 서울과학기술대학교) 연구팀과 소주희 수석연구원(한국생산기술연구원)이 웨어러블 전자소자의 전극물질로 사용되는 액체금속의 자발적이고 제어 가능한 코팅 기술을 개발했다고 밝혔다. 

□ 액체처럼 흐르는 성질을 갖고 있는 액체금속은 전도성도 금속만큼 높기 때문에 최근 유연 전자소자 분야에서 활발히 연구되고 있는 물질이다. 대표적인 액체금속으로는 수은이 있지만 독성이 강해, 갈륨계 액체금속이 대체물질로 주목받아 왔다. 
  ○ 그러나 갈륨계 액체금속 역시, 액체 상태가 갖는 불안정성과 높은 표면장력으로 인해 대면적 코팅이나 패터닝을 위해서는 기계적 또는 전기화학적 힘과 같은 외부의 힘이 필요하다.

□ 이에 연구팀은 갈륨계 액체금속이 다른 금속과 합금을 형성하기 쉽고, 액체가 미세구조를 따라 흡수되는 침염현상이 가능하다는 점에 착안해, 신속하고 재현성있는 액체금속의 코팅 및 패터닝 방법을 모색했다.
  ○ 액체가 흡수될 수 있도록 수십 마이크로미터 크기의 미세한 원기둥이 배열된 기판을 제작해 그 위에 구리를 증착한 후, 액체금속 방울을 올려놓고 염산 증기에 노출시켰다.
  ○ 그러자 액체금속이 외부의 힘없이도 자발적으로 미세 마이크로 구조를 따라 빠르게 퍼지며 평평한 코팅 막을 형성하는 것을 관찰할 수 있었다. 

□ 연구팀은 액체금속의 침염현상이 특정 조건에서 발현됨을 수학적으로 유도해 실험으로 뒷받침했으며, 이러한 수치 해석을 통해 금속 표면에서의 액체금속 젖음 현상에 적용 가능한 이론적 토대를 마련했다. 
  ○ 개발된 코팅 공정을 통해 제작된 액체금속 전극은 안정적인 전기전도도를 보이며 신축 전극으로써의 활용 가능함을 시사했고,
  ○ 또한, 액체금속 박막의 두께 및 퍼지는 패턴을 원하는 대로 제어할 수 있다는 점에서 액체금속이 보다 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 

□ 연구팀은 이번 연구 성과에 대해 “간단하면서도 재현성이 높아 다양한 분야에서 액체금속을 더 적극적으로 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있다”며 “지속적인 연구를 통해 액체 금속 유동 제어와 관련한 선두 기술을 확보해 나갈 것”이라고 밝혔다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 재도약연구 및 교육부와 한국연구재단이 추진하는 대학중점연구소 사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 8월 13일 게재되었다.

주요내용 설명

 <작성 : 서울과학기술대학교 구형준 부교수>

논문명
Imbibition-induced selective wetting of liquid metal
저널명 
Nature Communications
키워드 
Liquid metal (액체금속), Wetting (젖음), 침염 (imbibition), Eutectic Gallium-Indium alloy (갈륨-인듐 공융 합금), Flexible and stretchable electrodes (유연신축전극)
DOI
https://doi.org/10.1038/s41467-022-32259-3
저  자
구형준 교수(교신저자/서울과학기술대학교), 
소주희 박사(교신저자/한국생산기술연구원), 
김지혜 박사과정(제1저자/서울과학기술대학교), 
김수영 박사과정(제1저자/서울과학기술대학교), 
김현진 박사과정(공동저자/중앙대학교), 우상혁 교수(공동저자/중앙대학교), 
조지웅 박사(공동저자/KBSI), 
마이클 디키 교수(Prof. Michael D. Dickey/NC State University)


1. 연구의 필요성
 ○ 스마트워치, 폴더블폰과 같은 웨어러블 소자에 대한 수요가 급증 하면서 유연성 및 신축성이 우수한 전극을 개발하기 위해 많은 연구가 진행되고 있다.
 ○ 기존 전자 소자에 쓰이는 전극들은 대부분 고체 금속으로, 반복적인 물리적 변형과 낮은 인장력에도 쉽게 손상될 수 있다. 이를 해결하기 위해서 금속전극을 초박막으로 코팅하거나 지지 기판에 구조적 변형을 주어, 굽히거나 늘려도 전기전도성을 유지하는 전극 제조 기술이 개발되어 왔다. 하지만 이는 대체로 고가의 복잡한 공정이 수반되며, 여전히 견딜 수 있는 인장력에 한계가 존재한다는 단점이 있다. 
 ○ 이에 외력에 의한 변형에도 끊어짐 없이 높은 전기전도도를 유지할 수 있는 신축 전극의 물질로, 상온에서 액체로 존재하며 동시에 독성이 거의 없는 갈륨계 액체금속이 각광을 받고 있다. 하지만 액체금속의 높은 표면장력이나 점착력으로 인해 재현성있는 대면적 코팅이나 정교한 패터닝을 위해서는 기계적 또는 전기화학적 힘과 같은 외부의 힘이 필요하였다. 
 
2. 연구내용 
 ○ 연구팀은 갈륨계 액체금속이 다른 금속과 합금을 형성하기 쉽다는 특성에 주목하였다. 또한 액체가 미세구조로 흡수되는 침염 (imbibition, 浸染) 현상을 이용하여 액체금속의 젖음이 미세구조를 따라 일어나도록 유도하였다.  
 ○ 먼저 수십 마이크로 미터 크기의 원기둥이 배열된 기판을 제작하고 그 위에 구리를 증착하였다. 액체금속 방울을 이 구리 기판 위에 올려놓고 염산 증기에 노출시키게 되면, 표면 산화막이 제거된 액체금속은 구리가 증착된 마이크로 구조를 따라 합금을 형성하며 빠르게 퍼지고 필름을 형성하게 된다. 
 ○ 합금 형성과 침염현상의 시너지를 이용한 이 과정을 통하여 미세구조가 없는 구리 기판 위에서는 보이지 않았던 액체금속의 완전한 젖음 및 퍼짐 현상이 관찰되었다. 이 침염 현상은 마이크로 구조를 따라서만 일어나기 때문에 이를 이용하여 연구팀은 액체금속의 선택적인 패터닝 기술을 구현하였다. 또한 액체금속의 침염 현상이 원기둥의 간격과 높이 비율의 특정 조건에서 발현됨을 수학적으로 유도하고, 이를 실험적으로 뒷받침하였다. 
 ○ 개발된 코팅공정을 통해 제작된 액체금속 전극은 높은 인장률에도 안정적인 전기전도도를 보여 신축전극으로서 활용 가능함을 시사하였다. 
   *합금(合金): 두 가지 이상의 금속을 혼합하여 만든 혼합물 
   *패터닝(Patterning): 기판에 원하는 회로나 모양을 만드는 것
   *인장(引張): 물체를 중심축에 평행하게 바깥방향으로 당길 때 물체가 늘어나는 현상

3. 연구성과/기대효과
 ○ 제안된 기술을 통해 손쉽게 액체금속의 대면적 코팅 및 패터닝, 박막 두께 제어 등이 가능하다. 고비용의 진공 설비 및 복잡한 공정이 필요하지 않으며, 재현성 및 경제성도 높아 웨어러블 소자 외 에너지 산업, 촉매 산업 등 다양한 분야에 액체금속이 보다 더 적극적으로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
 ○ 침염에 의한 액체금속 젖음 현상의 수치해석을 통해, 향후 금속 표면에서 액체금속 젖음 거동에 적용 가능한 이론적 토대를 마련하였다. 본 연구를 기반으로 액체 금속의 계면 현상을 이해하고 침염에 의한 젖음 현상을 지속 연구하여 액체 금속 유동 제어와 관련한 선두 기술을 확보할 수 있을 것이다.



그림 설명




(그림1) 액체금속의 자발적인 젖음 현상
- 구리가 증착된 미세구조가 있는 기판 위에서 시간에 따른 액체금속의 젖음 현상을 위에서 관찰한 사진이다. 액체금속이 마이크로 구조를 따라 수분 내에 빠르게 중심으로부터 가장자리로 퍼져나가는 것을 관찰할 수 있다. 


그림설명 및 그림제공 : 서울과학기술대학교 구형준 부교수



(그림2) (좌)액체금속의 자발적이고 선택적인 젖음 현상 (우)인장에 따른 액체금속 코팅 필름과 구리필름의 저항 변화 비교
- (좌)미세구조로 이루어진 서울과학기술대학교 심볼마크 및 영문명을 따라 액체금속이 자발적, 선택적으로 코팅 되는 것을 보여준다. 미세구조가 없는 곳에서는 액체금속의 젖음 현상이 일어나지 않는다. (스케일바 = 5 mm)  
- (우)인장이 가해졌을 때 구리전극의 저항은 급격히 증가하는 것에 반해, 액체금속이 패터닝된 전극은 낮은 저항을 안정적으로 유지한다. 


그림설명 및 그림제공: 서울과학기술대학교 구형준 부교수



연구 이야기


                                <작성 : 서울과학기술대학교 구형준 부교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

현재 액체금속을 다양한 전극 소재로 활용하고자 하는 연구가 많이 진행되고 있지만, 높은 표면장력, 점착성 등으로 인해 액체금속의 대면적 코팅 및 패터닝에는 어려움이 따르게 됩니다. 실제로 선택적으로 원하는 패턴을 따라 액체금속을 코팅하는 기술은 많은 시행착오가 따르고 패턴의 균일성도 크지 않습니다. 이에 저희는 액체금속의 계면특성을 이해하고, 이를 통해 신속하고 재현성있는 코팅 및 패터닝 방법을 모색하였습니다. 


□ 연구 전개 과정에 대한 소개

먼저, 다양한 기판에서의 액체금속의 젖음 특성을 조사하였고, 다양한 물질 중 금속기판위에서 접촉각이 크게 낮아짐을 확인하였습니다. 나아가 금속성 기판에 마이크로 구조를 도입할 경우 젖음 특성이 눈에 띄게 향상됨을 알게 되었고, 이 것이 침염이라는 흥미로운 현상에 의해 기인할 것이라는 가설을 세우고 이를 이론 및 실험적으로 증명하고자 하였습니다. 그리고 발견된 현상을 이용해 대면적 액체금속 코팅도 가능함을 확인하였고, 또한 마이크로 구조를 따라서만 선택적으로 코팅이 되는 것을 발견하여 액체금속의 패터닝 기술을 구현할 수 있었습니다. 


□ 이번 성과, 무엇이 다른가? 

액체금속의 이전 코팅 방법의 경우, 높은 표면장력을 가진 액체금속을 넓게 펴기 위해 물리적 힘이 필요하거나 증착기와 같은 고가의 장비가 필요합니다. 하지만 본 연구의 경우 액체금속 코팅에 한해서 외부 힘이 필요 없이 매우 빠른 시간 내에 자발적으로 코팅 가능한 공정을 구축했다는 점에서 기존의 코팅 연구와 차별점을 두고 있습니다. 더 나아가 미세구조를 제어하여 대면적 전극 뿐 아니라 정교한 패터닝 까지도 가능하다는 점에서 신축 전자소자 분야에서의 연구가 기대 됩니다. 


□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는? 

현재 웨어러블 장치에 대한 수요도가 증가함에 따라 유연신축 전극에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 이에 본 연구를 통한 액체금속 전극은 장치 내의 신축 및 유연전극으로써의 활용을 예상할 수 있습니다. 또한 액체금속의 대면적 전극 제작 가능으로 인해 에너지 산업, 웨어러블 산업, 촉매 산업 등에 접목될 수 있을 것입니다. 이외에도, 액체금속 코팅 시스템은 외부 힘이 추가로 들지 않기 때문에 에너지 및 비용 절감을 기대할 수 있습니다. 다만, 반도체 산업에 적용하기 위해서는 회로의 높은 해상도가 요구되기 때문에 액체금속 패터닝의 해상도를 높이는 연구가 필요할 것입니다.  


□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은? 

기존의 액체금속의 패터닝을 위해서는 복잡한 리소그래피 과정이 필요합니다. 불가피하게도 저희 방법도 마이크로구조를 위해서는 리소그래피 과정을 피할 수는 없습니다. 따라서 저희 연구진은 본 연구이후 리소그래피 과정이 필요 없는 액체금속의 자발적 및 선택적 코팅을 위한 연구를 목표로 하고 있습니다.