미국 퍼듀 대(PURDUE UNIVERSITY)의 새로운 연구는 잉크젯 인쇄 기술이 액체 금속 합금으로 만들어진 전자회로를 대량생산하는 데에 이용될 수 있음을 보여주었다. 이러한 전자회로는 유연한 로봇(soft robot)과 유연한 전자기기(flexible electronics)에 활용될 수 있다. 

탄성 기술(elastic technology)은 잘 휘어지는 새로운 종류의 로봇, 사람들이 컴퓨터와 상호작용하거나 치료 목적으로 착용할 수 있는 신축성 의류 등을 실현할 수 있다. 그러나 유연한 기계가 상업적으로 실현가능하려면 새로운 제조 기술이 개발되어야 한다고 퍼듀 대의 기계 공학과 조교수인 레베카 크레이머(Rebecca Kramer)가 전했다.

"우리는 좁은 공간을 비집고 들어갈 필요가 있는 로봇과 같은 부드러운 기계와 호환 가능한 신축성 있는 전자장치, 움직임에 제한되지 않는 착용형 기술(wearable technology) 등을 만들고 싶다. 액체 금속으로부터 만든 도체는 파손되지 않고 늘어나거나 변형될 수 있다”고 레베카 크레이머 조교수가 말했다. 

레베카 크레이머 조교수는 잠재적인 새로운 제조 방법으로 잉크젯 인쇄 기술을 활용하여 액체 합금으로 만들어진 장치를 만드는 데에 집중하였다. “이제 우리는 이 공정을 사용하여 탄성 재료나 직물을 포함하여 임의의 재료 상에 유연하고 신축성 있는 도체를 인쇄할 수 있다”고 레베카 크레이머 조교수가 강조하였다.

이 새로운 방법을 다룬 연구 논문은 2015년 4월 18일에 재료와 관련된 국제 학술지(학술지명: Advanced Materials)에서 출판되었다. 이 논문은 기계적으로 소결된 갈륨-인듐 나노입자(mechanically sintered gallium-indium nanoparticles)라고 불리는 방법을 소개하고, 이 프로젝트에 이르게 되는 연구를 기술하였다. 이 논문의 저자로는 박사 후 연구원인 존 윌리엄 볼레이(John William Boley), 대학원생인 에드워드 화이트(Edward L. White), 레베카 크레이머 조교수가 포함된다. 

인쇄 가능한 잉크는 초음파를 이용하여 액체 금속을 비금속 용제(non-metallic solvent)에 분산시켜서 만들어진다. 여기서 초음파는 액체 금속 덩어리를 분해하여 나노입자로 만든다. 나노입자가 채워진 잉크는 잉크젯 인쇄와 호환이 가능하다.

"천연 형태의 액체 금속은 잉크젯 기술의 재료로 이용될 수 없다. 그래서 우리가 수행한 것은 잉크젯 노즐을 통과할 정도로 충분히 작은 액체 금속 나노입자를 만드는 것이다. 에탄올(ethanol)과 같은 운반체인 용제 속에서 액체 금속을 초음파 처리하는 것은 나노입자를 만들 뿐만 아니라 이 나노입자가 용제에 분산되도록 한다. 그리고 우리는 이 잉크를 임의의 재료 상에 인쇄할 수 있다. 에탄올은 결국 기화되어서 날아가므로 표면에는 액체 금속 나노입자만이 남게 된다”고 레베카 크레이머 조교수가 설명하였다.

인쇄가 종료된 후에 나노입자는 약한 압력을 받아서 재결합되어야 하며, 이를 통하여 이 재료는 도전성을 가진다. 이러한 단계는 액체 금속 나노입자가 초기에 전도성을 방해하는 피막 기능을 하는 산화 갈륨으로 코팅되어 있기 때문에 필요하다.

"하지만 이 피막은 깨지기 쉬워서 압력을 인가하면 피막이 파손되고 모든 것이 하나의 균일한 필름으로 합쳐진다. 우리는 이것을 실리콘 팁의 날카로운 모서리와 같은 것으로 표면을 끌거나 때려서 수행할 수 있다”고 레베카 크레이머 조교수가 설명하였다.

이러한 접근법은 개별 설계에 맞추어 활성화시킬 부분을 선택할 수 있게 한다. 이는 하나의 필름이 다양하게 응용될 수 있도록 만들어질 수 있음을 시사한다. 

"우리는 단지 필요한 영역에만 압력을 인가하여 원하는 부분의 전자제품만을 선택적으로 활성화할 수 있다”고 2015년에 미국 국립 과학 재단(National Science Foundation)으로부터 신진 연구자 지원 프로그램(Early Career Development)에 선정되어 액체 금속을 어떻게 최선으로 만들지를 결정하는 연구에 대하여 자금을 지원받은 레베카 크레이머 조교수가 말했다.

이러한 공정은 액체 금속 합금으로 만들어진 전자회로를 신속하게 대량 생산하는 것을 가능케 할 수 있다. 연구팀은 앞으로 특정한 형태의 장치를 생산하는 데에 있어 잉크와 그 잉크가 인쇄될 표면 사이의 상호작용이 어떻게 도전성을 형성하는지를 탐색할 계획이다. “예를 들어 친수성 표면 혹은 소수성 표면에서 나노입자가 어떠한 배열되는가? 어떻게 잉크를 만들고, 이 잉크가 입자의 자가 조립(self assembly)이 가능하도록 표면과의 상호작용을 어떻게 이용할 것인가?”등이 포함된다고 레베카 크레이머 조교수가 이야기하였다.

또한, 연구자들은 압력이 인가될 때 개별 입자가 어떻게 파열되는지를 연구하고 모델링할 것이다. 이러한 연구로 얻은 결과는 매우 얇은 흔적과 새로운 형태의 센서를 제조하는데 도움이 될 것이다. 

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』