pH 기반 화학 소결 액체금속 전자잉크 개발
[연구필요성]
기존의 전자기기는 대부분 딱딱하고 고정된 형태로 제작된다. 이러한 단단한 기기는 높은 성능과 안정성을 보장하는 반면 착용성이나 유연성 면에서 한계를 보이고, 반대로 유연한 기기는 착용의 편의성을 제공하지만 정밀 조작이나 고성능 구현이 어렵다는 단점이 있다. 하지만 최근 웨어러블 전자기기, 바이오메디컬/신경 인터페이스, 헬스케어 모니터링, 로보틱스 분야 등의 발전으로 인해, 상황에 따라 형태와 기계적 특성을 조절할 수 있는 가변 전자소자(Transformative Electronic Systems, TES)에 대한 수요가 증가하고 있다. 그러나 이를 구현하기 위한 핵심 소재인 액체금속은, 높은 표면장력과 불안정한 상변화 특성 때문에 실제 적용이 제한되어 왔다.
[연구성과/기대효과]
서울대학교 박성준 교수 연구팀은 KAIST 정재웅 교수, 스티브박 교수 연구팀과 함께 이러한 한계를 극복할 수 있는 pH 조절 기반 화학 소결 액체금속 전자잉크(STAR ink)를 세계 최초로 개발하였다. 본 기술은 미세 입자화된 갈륨을 친수성 고분자 매트릭스에 안정적으로 분산시켜 상온에서도 고해상도로 인쇄할 수 있도록 하고, 이후 용매의 분해를 통해 생성된 산성 환경에서 입자 간 전기적/기계적 연결이 자가적으로 형성되도록 유도함으로써 고성능 회로 구현을 가능하게 한다.
STAR ink는 고해상도(~50μm) 회로 인쇄, 다층화 구조 제작, 3차원 복잡 형상 코팅이 가능하며, 우수한 전기전도도(2.27×10^6 S/m)와 1,465배의 기계적 강성 조절 능력을 보유하고 있다. 특히 외부 자극 없이 체온만으로도 딱딱한 상태에서 부드러운 상태로 자연스럽게 전환이 가능하여 인체 친화적 응용에 매우 적합하다.
연구팀은 이 기술을 활용해 두 가지 주요 응용 사례를 제시하였다. 첫 번째는 일반적인 계산기 기능을 갖춘 딱딱한 상태에서 착용 시에는 유연한 형태로 전환되어 피부에 밀착되는 생체 신호 측정 기기로 동작하는 다기능 변환형 전자기기(T-PCB)이다. 이 장치는 버튼 조작과 체온 변화에 따라 형태를 바꾸며, PPG 센서를 통한 맥박 측정 기능과 OLED 디스플레이를 통합하여 실시간 건강 모니터링이 가능하다. 두 번째는 뇌에 삽입 가능한 이식형 신경 탐침으로, 삽입 시에는 강성을 유지해 정밀한 위치 조작이 가능하고, 체온에 반응하여 부드럽게 변형되면서 뇌 조직과 기계적으로 잘 적응하는 구조다. 이 탐침은 광유전학 자극과 전기 신호 기록을 동시에 수행할 수 있는 다기능 신경 인터페이스로, 만성 이식 환경에서도 면역 반응을 최소화함을 동물 모델에서 입증하였다.
이러한 기술은 기존 액체금속 기반 회로의 주요 한계였던 인쇄 해상도, 공정 안정성, 기계적 일체화 문제를 모두 해결하며, 고정형 기기에서 탈피한 유연하고 반응형 전자기기 개발의 실마리를 제공한다. 또한, 스크린 프린팅, 딥 코팅, 레이저 패터닝 등 다양한 공정과 호환되며, 인체 착용형 디바이스, 바이오메디컬 임플란트, 신경 재활 및 로보틱스 분야 등에서 광범위한 응용 가능성을 갖고 있다.
[본문]
서울대학교 첨단융합학부 박성준 교수(겸무 의과대학) 연구팀은 KAIST 정재웅 교수(전기및전자공학부), 스티브 박 교수(신소재공학과) 연구팀과 공동으로, 상온에서 인쇄 가능한 고해상도 액체금속 전자잉크(STAR ink)를 개발, 이를 활용한 가변형 전자소자 및 바이오메디컬 인터페이스 기술을 세계 최초로 구현하였다.
기존 전자기기는 주로 단단한 구조로 제작되어 안정성은 높지만 착용성과 유연성은 떨어진다는 단점이 있다. 반면 최근에 개발되고 있는 유연성 기기는 편의성은 뛰어나지만, 정밀한 기능 구현에는 한계를 보인다. 이러한 상황에서 최근 웨어러블, 헬스케어, 신경 인터페이스 등에 사용될 수 있는, 환경에 따라 물성과 형태를 바꿀 수 있는 가변형 전자소자 (TES)에 대한 관심이 높아지고 있지만, 이를 위한 핵심 소재로 주목받는 액체금속은 높은 표면장력과 불안정한 상변화로 인해 실제 적용에는 제약이 있었다.
본 연구에서 개발된 STAR ink는 마이크로 입자화된 갈륨(Ga)을 친수성 고분자(HPU) 매트릭스에 안정적으로 분산시키는 방법으로 만들어지며, 중성 조건에서는 고점도 잉크로서 고해상도 회로 인쇄가 가능하고, 인쇄 후 가열에 따라 산성 환경이 조성되며 입자 간 화학적 소결이 유도되는 공정을 통해 전기적 연속성과 기계적 일체성을 동시에 확보할 수 있다. 특히 이 공정은 기존 액체금속 회로 제작에서 요구되는 고온 열처리나 외부 기계적 압력을 사용하지 않아, 다양한 재료와 기하 구조에 손쉽게 적용할 수 있다.
해당 잉크로 제작된 STAR 기반 회로는 3차원 구조물에도 코팅이 가능하며, 유연하면서도 기계적으로 안정된 전기 인터페이스 구현이 가능하다. 본 기술은 기존의 갈륨 기반 TES에서 나타났던 높은 표면장력, 인쇄 해상도 저하, 불완전한 전도성 문제를 pH 기반 화학 소결이라는 새로운 접근으로 해결하였다.
연구진은 STAR ink의 응용 가능성을 검증하기 위해 두 가지 실제 장치를 구현하였다. 첫 번째는 고해상도 다층 인쇄회로기판(T-PCB)으로, 버튼 하나로 계산기와 생체신호 측정기기(PPG 센서) 기능을 전환할 수 있으며, 체온에 따라 딱딱한 상태에서 유연하게 변화하는 혀태이다. 두 번째는 광유전학 자극과 신경신호 기록을 동시에 수행할 수 있는 이식형 뇌 신경 탐침으로, 삽입 시에는 딱딱한 형태를 유지하여 뇌 조직 손상을 줄이고, 삽입 후에는 체온에 의해 부드러워져 뇌 조직과의 장기 안정성을 확보할 수 있었다.
박성준 교수는 이러한 연구에 대해 “이번 연구는 액체금속 기반 회로의 주요 한계였던 인쇄 해상도, 공정 안정성 및 호환성 문제를 모두 해결함과 동시에, 일상생활에서 매우 유용할 것으로 예상되는 ‘디바이스의 기계적 물성 조절’이 가능함을 입증하였다. 이는 향후 본 연구로 개발된 잉크 및 이를 기반으로 한 디바이스가 인체 착용형 기기, 바이오메디컬 임플란트, 신경 재활 및 로보틱스 분야 등에서 광범위하게 응용될 수 있다는 것을 뜻한다.” 라고 말했다.
이번 연구는 국제 학술지 사이언스 어드벤시스(Science advances)에 게재됐으며 (논문명 : Phase-change metal ink with pH-controlled chemical sintering for versatile and scalable fabrication of variable stiffness electronics), 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 중견연구자지원사업 및 보스턴-코리아 공동연구프로젝트의 지원을 받아 수행되었다.
[연구결과]
Phase-change metal ink with pH-controlled chemical sintering for versatile and scalable fabrication of variable stiffness electronics
Simok Lee, Gun-Hee Lee, Inho Kang, Woojin Jeon, Semin Kim, Yejin Ahn, Choong Yeon Kim, Do A Kwon, Michael Dicky, Steve Park, Seongjun Park, Jae-Woong Jeong
(Science Advances, 11, eadv2941 (2025), https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv4921)
pH 조절 기반의 화학 소결 공정을 활용해, 상온에서도 고해상도 회로 인쇄가 가능하고 온도에 따라 기계적 강성이 조절되는 액체금속 전자잉크(STAR ink)를 개발함. 이 잉크는 갈륨 미세입자를 고분자 매트릭스에 안정적으로 분산시켜 인쇄성과 전도성을 확보하고, 가열 시 산성 환경에서 입자 간 전기적·기계적 연결을 형성하는 방식으로 작동함. 연구진은 이를 통해 딱딱한 상태의 계산기 기능과 유연한 웨어러블 센서를 겸하는 변환형 회로기판(T-PCB), 체온에 따라 말랑해지는 이식형 뇌 신경탐침 등 다양한 가변 전자소자를 구현하며 STAR ink의 실용성과 확장 가능성을 입증함.
[그림설명]
그림. 고해상도 프린팅 가능한 가변 강성 전자잉크
그림. 마이크로 크기의 갈륨 입자를 고분자 매트릭스에 분산시켜 안정적인 고점성 전자잉크를 제작하는 과정(좌). pH 제어 화학 소결을 통한 고해상도 대면적 회로 인쇄 과정(우)