"3조(태슬라)"의 두 판 사이의 차이

2026년 6월 14일 (일) 21:35 기준 최신판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 퍼콜레이션 네트워크 설계를 통한 신축성 액체금속 기반 전도체의 전기-기계적 특성 최적화

영문 : Electromechanical Optimization of Stretchable Liquid Metal-Based Conductors through Percolative Networks Design

과제 팀명

태슬라

지도교수

김선홍 교수님

개발기간

2026년 3월 ~ 2026년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 융합응용화학과 2022530016 이슬(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 2022340016 김태현

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 신축성 전자소자는 신체 곡면에 밀착되어 동작하기 위해 전극의 높은 신축성과 전기전도도가 동시에 요구된다. 그러나 기존의 전도성 고분자 및 나노 복합체 기반 신축성 전극은 인장 시 저항이 급격히 변하고 반복 변형 환경에서 안정성이 낮다는 한계를 가진다.

◇ 상온 액체 금속(Liquid Metal, LM)은 금속 수준의 높은 전기전도도와 우수한 변형성을 동시에 갖는 소재로 주목받고 있다. 하지만 액체 금속 입자 기반 복합체는 표면 산화막으로 인해 입자 간 전기적 연결이 제한되며, 외부 자극 시 액체 금속이 누설되는 문제가 존재한다.

◇ 본 연구에서는 초음파 처리(sonication) 공정으로 액체 금속을 미세 입자로 분산시키고, 음향장 기반 활성화를 통해 입자 간 나노 인터커넥터를 형성하여 고분자 내부에 액체 금속 입자 네트워크를 구축하고자 한다. 이를 통해 액체 금속의 누설을 억제하면서 안정적인 전도 경로를 형성하고, 체적 분율에 따라 전기전도성과 인장 시 저항 변화 특성을 분석하여 높은 전도성과 신축성을 만족하는 최적의 전극 조성을 도출한다.

개발 과제의 배경

◇ 최근 신축성 전자소자는 웨어러블 디바이스, 전자 피부, 소프트 로보틱스 등 다양한 분야로 확장되면서, 인체와 같은 곡면에 밀착되어 동작할 수 있는 특성이 요구된다. 단순한 신축성을 넘어 반복적인 기계적 변형 환경에서도 안정적인 전기적 성능을 유지하는 전극 기술의 중요성이 강조되고 있다.

◇ 기존의 고체 전도성 필러 기반 복합체는 변형 시 입자 간 접촉이 물리적으로 분리되어 전도 경로가 쉽게 붕괴되는 한계를 가지며, 이는 전기적 신뢰성 저하 문제로 이어진다. 이러한 한계를 극복하기 위해 액체 금속 기반 전극이 제시되고 있으며, 변형 과정에서도 전도 경로를 유지할 수 있는 구조적 설계 및 전기적 안정성 확보에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

◇ 본 연구에서는 액체 금속 입자 간 연결 구조를 제어하여 전도 경로의 안정성을 향상시키고, 액체 금속 함량 변화에 따른 전기적 및 기계적 특성을 분석하여 변형 조건에서도 저항 변화가 최소화되는 전극 구조를 구현하고자 한다. 이를 바탕으로 실제 동작 환경에서의 성능을 평가하고, 향후 인체 부착형 전자소자와 같은 신축성 시스템에 적용 가능한 전극 설계 방향을 제시하고자 한다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 본 연구는 신축성 기판 위에 액체 금속 기반 전도체를 제조하고, 변형 조건에서도 안정적인 전도 경로를 유지할 수 있는 최적의 LM-polymer 조성을 도출하는 것을 목표로 한다. 특히 액체 금속 입자 간 percolation network 형성 메커니즘과 음향장 기반 활성화 과정을 통해 전도 경로가 형성되는 원리를 바탕으로 전기적 안정성과 기계적 신축성을 동시에 확보하는 전극 구조를 설계하고자 한다.

◇ 액체 금속에 초음파 처리(sonication)를 하여 마이크로미터 크기의 액체 금속 입자로 분산시키고, 이를 고분자와 혼합하여 전도성 잉크를 제조한다. 이후 스크린 프린팅 공정을 통해 고분자 기판 위에 전도체 패턴을 형성한다. 전도체 패턴에 음향장을 인가하여 프린팅된 라인 내에서 입자 간 나노 인터커넥터 형성을 유도함으로써 전도성 네트워크를 활성화한다.

◇ 제작된 전도체는 인장 조건에서의 전기적 거동을 평가하기 위해 밴딩 장비를 이용하여 변형을 가하면서 실시간 저항 변화를 측정하고 변형률에 따른 저항 변화율을 분석한다. 또한 UTM을 활용하여 기계적 물성을 평가하고, 전기적 특성과 기계적 특성을 종합적으로 비교 분석함으로써 액체 금속의 전기전도성과 고분자의 기계적 신축성이 균형을 이루는 최적의 LM-polymer 조성을 도출한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

◇ 벌크 액체금속을 직접 사용하는 대신 초음파 분산 공정을 활용하여 마이크로 및 나노 크기의 액체금속 입자(LMP) 형태로 분산시키는 기술이 활발히 연구되고 있다. 공동현상(cavitation)과 초음파 유도 전단력에 의해 벌크 액체금속이 미세 액적으로 분해되며, 소니케이션 시간, 출력, 온도, 용매 조건에 따라 LMP 크기, 산화막 두께, 표면 특성이 달라질 수 있음이 확인되었다.[1] 또한 표면 기능화 및 용매-계면 제어를 통해 액체금속 입자의 분산 안정성을 향상시키고 장기간 안정적인 콜로이드 분산을 유지하는 기술도 제시되고 있다.[2] 이와 같이 액체금속 입자의 크기, 산화막 특성 및 분산 상태가 신축성 전도체의 성능을 결정하는 핵심 요소로 제시되고 있다.

◇ 액체금속은 높은 표면장력과 낮은 점도로 인해 직접 패터닝하거나 일반적인 프린팅 공정 적용에 한계가 존재한다. 이를 해결하기 위해 최근 연구에서는 액체금속 입자를 고분자 매트릭스와 복합화하여 공정 안정성과 기계적 신뢰성을 동시에 확보하는 기술이 제시되고 있다.[2] 고분자 내부에 액체금속 입자를 분산시켜 복합체 형태로 제작할 경우 액체금속 누설을 억제할 수 있으며, 고분자의 탄성 특성과 액체금속의 높은 전기전도도를 동시에 활용할 수 있다. 또한 복합 소재 잉크의 점도 제어를 통해 프린팅 공정 안정성을 향상시키고 균일한 전극 형성이 가능하다. 한 연구에서 프린팅 공정을 통해 형성된 액체금속-고분자 복합 전극은 100% strain에서 15,000 cycle 반복 인장 후에도 안정적인 전기적 특성을 유지함을 확인하였다.[3]

◇ 액체금속 입자 기반 복합체는 제조 직후에 산화막에 의해 입자 간 전기적 연결이 제한되어 절연성을 띠는 경우가 많다. 이에 따라 최근 연구에서는 외부 자극을 활용하여 산화막을 부분적으로 파괴하고 내부 액체금속 코어 간 접촉을 유도하여 전도 네트워크를 형성하는 기술을 제시하고 있다. 음향장 자극[3], 기계적 압력[4], 용매 증발 중 발생하는 모세관력[2]등의 외부 자극은 액체금속 입자의 국부적인 산화막 파괴를 유도하여 새로운 전도 경로를 활성화한다. 활성화된 전극은 10⁶ S/m 수준의 전기전도도를 보였고, 변형 과정에서 전도 네트워크가 단순히 손상되는 것이 아니라 산화막 파괴 및 재연결이 반복되며 1200% strain에서도 높은 전도성을 유지하였다.[2]

• 특허조사

◇ Liquid metal particle-Assembled network synthesized in various polymers and manufacturing method of the same[5]

본 특허는 고분자 매트릭스 내부에서 발생하는 액체금속 입자 간의 산화막 절연성 문제를 근본적으로 해결하여 높은 신축성과 전도성을 동시에 확보하는 제조 공정 및 메커니즘 기술이다. 초기 부도체 상태의 복합체 필름에 후속 초음파 자극을 가하면, 매트릭스 내 마이크로 크기 입자 표면에서 나노 크기의 미세 액체금속 입자들이 추가로 합성되면서 입자 간 공간을 메우는 전도성 경로가 활성화되는 것이 핵심이다. 외력에 의해 소재가 한 방향으로 늘어날 때, 마이크로 입자는 가로로 신장되지만 나노 입자들은 구형을 유지하려는 표면장력이 지배적으로 작용하여 입자 간 접촉을 안정적으로 유지하는 메커니즘을 명시하고 있다. 소니케이션을 단순 분산 공정이 아니라 전도 네트워크 활성화 공정으로 활용한다는 점이 특징이며, 공정 과정의 구체적인 파라미터를 제시하고 있어 공정 조건 설계에 중요한 선행 기술로 참고할 수 있다.

◇ Architected liquid metal networks and processes of making and using same[6]

본 특허는 금속 산화물이 쉘로 둘러싸여 초기 상태에는 절연성을 띠는 액체금속 캡슐 구조를 기반으로, 외부에서 인장, 압축, 전단 등의 기계적 힘을 가해 산화막 쉘을 국부적으로 파괴함으로써 내부 액체금속 코어를 방출시켜 전도 경로를 on-demand 방식으로 활성화하는 메커니즘을 제시한다. 무작위로 분산된 기존 액체금속 복합체의 불규칙성을 배제하고, 인장이나 압축과 같은 변형 스트레스가 발생할 때 전자기적, 열적 특성이 정밀하게 변화되도록 제어하는 네트워크 설계 기술이다. 또한 신축성 전극의 전기적 및 기계적 성능과 반복 내구성을 검증하기 위한 구체적인 평가 방법과 분석식을 포함하고 있어 변형 실험 데이터 해석의 선행 지표로 활용될 수 있다.

◇ Formation of conductive circuit, conductive circuit, and conductive ink composition[7]

본 특허는 스크린 프린팅 공정 적용 시 미세 회로 패턴의 해상도를 유지하고, 인쇄 후 건조 및 열경화 단계에서도 두께 변화나 흘러내림 현상 없이 형상을 보존할 수 있는 무용제성 고밀도 복합 잉크 조성물 기술이다. 서로 다른 크기의 전도성 입자를 하이브리드 설계하여 입자 간 접촉 저항을 감소시키고, 화학 첨가제를 활용하여 유변학적 골격을 확보함으로써 인쇄 후 패턴 붕괴를 방지하였다. 특히 입자 크기 분포와 점도 제어를 통해 균일한 패턴 형성과 전도성 확보를 동시에 달성했다는 점에서, 복합체 잉크의 유변학적 특성 및 프린팅 공정 최적화의 이론적 기반을 제공한다.

◇ Method for preparing micro-nano flexible conductive circuit based on ultrasonic driving of liquid metal[8]

본 특허는 초음파 구동을 이용하여 액체금속 기반의 마이크로-나노 유연 전도 회로를 형성하는 기술이다. 액체금속을 미세 채널 내부로 주입한 후 외부에서 초음파를 가하여 음향 압력 구배를 유도함으로써 기포 발생 없이 액체금속이 이동 및 분산되도록 설계하였다. 초음파 출력과 채널 크기에 따라 액체금속의 이동 속도와 충진 특성을 분석하였으며, 미세 채널 내부에서 균일한 액체금속 분포를 구현하여 높은 전도성과 정밀 패터닝 특성을 확보하였다. 액체금속 고유의 산화막과 표면장력을 제어하여 네트워크 형성 메커니즘을 제시하고, 일정 초음파 조건에서 기판 손상이나 누출 없이 유연 회로를 생산할 수 있는 공정을 제공한다는 점에서 의의가 있다.

• 특허전략

◇ 최근 신축성 전극 기술은 웨어러블 바이오센서, 체외부착형 헬스케어 디바이스, 소프트 로봇 등 다양한 첨단산업 분야로 적용 범위가 확대되고 있다. 「첨단전략산업 글로벌 기술동향과 특허」 자료에 따르면, 디스플레이 분야에서는 늘려도 선명도를 유지할 수 있는 신축성 소재 기술이 차세대 핵심 기술로 제시되고 있으며 첨단로봇 분야에서도 힘, 접촉, 충격 등 물리적 자극에 반응하는 유연 센서 및 순응형 구조 기술이 중요하게 다루어지고 있다. 이는 반복적인 기계적 변형 환경에서도 안정적인 전기적 특성을 유지할 수 있는 신축성 전도체 기술의 중요성이 지속적으로 증가하고 있음을 보여준다.

◇ 글로벌 특허 동향 데이터의 최신 10개년(2014~2023년) 분석 결과, 디스플레이 및 첨단로봇 분야의 특허출원은 지속적인 증가세를 보이며 핵심 기술 확보 경쟁이 심화되고 있다. 디스플레이 분야에서는 중국(37%), 미국(29%)이 높은 특허 점유율을 차지하고 있으며, 첨단로봇·제조 분야에서는 중국(28.9%), 일본(19.9%), 미국(16.9%)이 주요 출원국으로 나타났다. 이는 신축성 소재, 유연 센서, 물리 자극 감지 및 변형 대응형 전자소자 기술이 특정 산업에 한정되지 않고 차세대 전자·로봇·의료기기 산업 전반에서 핵심 기반 기술로 확장되고 있음을 보여준다.

 Fig. 1. 반도체·디스플레이 분야에서 주요 국적별 특허출원 동향 및 점유율 (2014~2023).[9]

 Fig. 2. 첨단로봇·제조 분야에서 주요 국적별 특허출원 동향 및 점유율 (2014~2023).[9]

◇ 특허청 보도자료에 따르면, 웨어러블 기술 및 생체계측 기능을 융합한 첨단 전자소자 분야의 국내 특허출원은 2015년 9,366건에서 2024년 13,282건으로 최근 10년간 약 42% 증가하였으며, 이는 같은 기간 전체 기술 분야 특허출원 증가율보다 약 3.5배 높은 수준이다. 특히 생체계측기기는 전체 의료기기 특허출원 중 14.6%로 가장 높은 비중을 차지하였고, 의료정보기기 분야의 연평균 증가율은 21.9%로 나타났다. 이는 심박수, 혈압 측정 등 신체 부착형 전자소자와 실시간 의료 모니터링 기술에 대한 산업적 수요가 빠르게 증가하고 있음을 의미한다. 따라서 웨어러블 바이오센서와 전자피부에 적용 가능한 액체금속 기반 신축성 전도체 설계 기준을 확보하고 향후 특허 출원 기반을 마련하고자 한다.

Fig3. 최근 10년간 의료기기 특허출원 동향 및 의료기기 분야별 국내 특허출원 동향[10]

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 고신축·고전도 특성을 동시에 만족하는 신축성 전극 설계 기준 확보 기존의 은 나노와이어나 탄소나노튜브 기반 전도체는 인장 변형 시 필러 간 접촉이 감소하여 저항이 급격히 증가하는 한계가 있다. 반면 본 연구에서는 액체금속 입자의 부피분율에 따라 전기전도도와 신축성 간의 상관관계를 정량적으로 분석함으로써 두 특성을 동시에 만족하는 최적 조성을 도출하고자 한다. 이를 통해 향후 다양한 신축성 전자소자에 적용 가능한 액체금속 기반 전도체의 설계 기준을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.

◇ 액체금속의 누설 및 불안정성 문제 해결 액체금속 복합체는 산화막에 의해 초기에는 입자 간 전기적 연결이 제한되며 산화막이 깨지면 금속이 새어 나오는 누설 현상이 존재한다는 문제가 있다. 본 연구에서는 초음파 분산을 통해 액체금속 입자를 제조하고, 후속 음향장 활성화 공정으로 고분자 내부에서 입자 표면의 산화막을 부분적으로 파괴하여 전도성 퍼콜레이션 네트워크를 형성한다. 이를 통해 반복적인 인장 환경에서도 안정적인 전도 경로를 유지할 수 있으며, 액체금속의 누설 및 전기적 불안정성을 최소화할 수 있다.

◇ 스크린 프린팅 기반의 신축성 전도체 제조 공정 확립 본 연구는 액체금속-고분자 복합 잉크를 제조하여 스크린 프린팅 공정을 통해 신축성 전극을 구현한다. 액체금속 함량 및 잉크 조성을 최적화함으로써 균일한 패턴 형성과 우수한 전기적 특성을 확보할 수 있으며, 기존 인쇄전자 공정과 높은 호환성을 가진다. 또한 스크린 프린팅은 비교적 공정이 단순하고 다양한 기판에 적용 가능하며 반복적인 패턴 형성에 적합한 제조 방식으로, 향후 인쇄전자 및 유연전자 산업 공정으로의 응용 가능성을 확대할 수 있을 것으로 기대된다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 차세대 신축성 전자소자 분야의 기술 경쟁력 확보 현재 고성능 신축성 전극은 해외 선도 연구기관을 중심으로 개발되고 있으며 관련 소재와 공정 기술의 중요성이 증가하고 있다. 본 연구에서 도출한 액체금속 복합체 설계 및 제조 기술은 국내 유연전자 소재 연구의 기반 기술로 활용될 수 있다. 또한 음향장 처리와 스크린 프린팅 공정의 높은 호환성을 바탕으로 다양한 유연전자 소자에 적용되어 관련 소자 개발의 활용 범위를 넓힐 수 있다. 이는 향후 신축성 전극 관련 전자소자 분야의 후속 연구 개발에 활용될 수 있으며, 국내 유연전자 산업의 기술 경쟁력 향상과 신소재 응용 분야 확대에도 기여할 것으로 기대된다.

◇ 유연전자 산업 전반의 경제적 부가가치 창출 액체금속 입자 간 연결을 안정적으로 유지하도록 설계한 최적 조성 기술은 변형 스트레스가 심한 유연 디스플레이, 소프트 로보틱스 등 다양한 차세대 산업에 적용될 수 있다. 저항 변화가 최소화되는 전극 구조는 지속적인 변형 환경에서도 전기적 안정성을 유지하여 신호 왜곡 감소와 전력 손실 저감에 도움을 줄 수 있으며, 이는 소자의 신뢰성과 사용 효율 향상으로 이어진다. 따라서 액체금속 기반 신축성 전도체는 차세대 유연전자 산업 전반의 성능 고도화와 제품 경쟁력 향상에 기여하며 다양한 응용 분야에서 경제적 부가가치를 창출할 수 있을 것으로 전망된다.

◇ 미래 바이오 헬스케어 서비스 확산 본 연구의 액체금속 기반 신축성 전도체는 장시간 연속 측정 환경에서도 안정적인 생체신호 수집이 가능하도록 하는 핵심 구성요소로 활용될 수 있다. 생체신호 모니터링 소자의 전기적 신뢰성을 향상시킴으로써, 일상생활 속 움직임에 따른 성능 저하를 최소화하고 실시간 건강 모니터링, 원격 의료, 개인 맞춤형 헬스케어 기술의 구현 가능성을 높일 수 있다. 나아가 고령화 사회에서 요구되는 지속적 건강관리 서비스와 원격 의료 시스템 구축의 기술적 기반으로 활용될 것이다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

1. 선행 기술 분석 및 최신 연구 동향 조사

◇ 기존의 신축성 전도체 기술인 전도성 고분자나 나노 복합체 방식이 가진 인장 시 저항 변화 및 낮은 안정성 문제를 분석하고, 이를 해결하기 위한 상온 액체 금속기반 기술의 최신 동향을 조사한다.

◇ 음향장 인가를 통한 입자 네트워크 형성 원리와 입자 크기 제어를 통한 누설 방지 메커니즘을 학습하여 실험 설계의 이론적 근거를 마련한다.

2. 액체 금속 잉크 제조 및 전극 시편 제작

◇ 액체 금속 2.5g과 아세톤 10ml를 혼합한 후 초음파 처리를 통해 평균 2μm 수준의 미세 입자로 분산시키고, 핫플레이트에서 아세톤을 증발시킨 뒤 폴리머와 교반하여 잉크를 제조한다. 제조된 잉크를 웨이퍼 몰드와 마스크를 이용한 스크린 프린팅 공법으로 기판 위에 패턴화하며, 건조 과정을 거쳐 잔류 용매를 제거함으로써 안정적인 전극 시편을 완성한다.

3. 전기적/기계적 물성 평가 및 데이터 확보

◇ 제작된 시편에 음향장을 인가하여 전도성 네트워크를 활성화한 후, 벤딩 머신을 이용해 시편을 1cm로 만들어 늘려가며 인장률에 따른 실시간 저항값 변화를 측정한다. UTM를 활용해 인장 강도 즉 기계적 물성 데이터를 확보하고, 변형 환경에서도 전기적 경로를 유지하는지 검증한다.

4. 데이터 분석 및 최종 성능 평가

◇ 실험을 통해 수집된 액체 금속 비중별 전도도와 저항 변화율 데이터를 종합 분석하여, 전도성이 극대화되는 동시에 인장 시 저항 변화가 최소화되는 최적의 함량비를 도출한다. 측정 데이터를 비교 평가함으로써 구현 가능한 가장 효율적인 LM전도체 조성안을 확립하고 프로젝트의 최종 결론을 도출한다.

설계

상세설계 내용

1. 액체금속-고분자 복합 소재 잉크 제조 방법

① Probe sonicator를 이용하여 액체금속(EGaIn) 2.5g을 acetone 10mL에 분산시킨다.이때 sonication은 amplitude 35%로 30분 동안 진행한다.

② 상온에서 상분리를 시킨 뒤, 상등액(acetone)을 제거하고 chloroform으로 용매 교환을 진행한다.

③ 조성 별로 고분자 용액(Butyl rubber/chloroform)을 주입하여 약 10분간 교반한다.

Fig. 4. LMP/polymer composite ink 제조 방법.

2. Screen-printing 공정

1) Butyl rubber 기판 제작

① Butyl rubber 7g과 Chloroform 75mL을 섞은 용액을 준비한다.

② Teflon mold에 wafer를 깔고 용액을 부어 상온에서 약 2시간 동안 굳힌다.

2) Screen-printing

① Butyl rubber 기판 위에 screen mask를 올린다.

② LMP/polymer composite ink를 기판 위에 부은 후, slide glass로 밀어 프린팅한다.

③ 프린팅한 기판을 50℃ 오븐에서 24시간 동안 열처리하여 남은 solvent를 제거한다.

Fig. 5. 고분자 기판 위 Screen-printing 공정.

3) Liquid metal particle(LMP) network 활성화

① 프린팅된 라인을 water bath 밑면에 고정하고, 물에 담가 준비한다.

② Probe sonicator를 샘플과 약 1mm 간격으로 두어 고정한다.

③ 샘플을 일정 속도로 이동하며 1분간 음향장을 인가한다.이때 sonication은 amplitude 30%로 진행한다.

Fig. 6. Sonication 공정을 통한 LMP network 활성화 과정.

4) 초기 저항 및 인장 시 저항 변화 측정

① 전도체를 Bending machine에 고정한다.

② 기판 위 전도성 라인 위에 bulk LM을 도포하여 Cu wire를 연결한다.

③ 정상 상태에서 시간(s)에 따른 resistance(Ω)를 측정한다.

④ 초기 저항 측정 후, 0.1mm/s 속도로 인장시키며 strain(%)에 따른 resistance(Ω)를 측정한다.

Fig. 7. Bending machine을 이용한 전기적 특성 측정 과정.

5) Cyclic test 진행

① 프린팅 된 전도성 라인을 Bending machine에 동일한 방식으로 연결한다.

② 일정 strain을 가하며 일정 strain rate으로 1000 cycle 동안 반복 인장 시험을 진행한다.

6) Cross-sectional SEM Imaging 및 Conductivity 계산

① 주사전자현미경(SEM)을 통해 전도체 단면 이미지를 얻는다.

② LMP/polymer composite 층의 두께를 측정하고, 시편 치수를 바탕으로 전기전도도를 계산한다.

𝑅 = 𝜌𝐿/𝐴 𝜎 = 1/𝜌 = 𝐿/𝑅𝐴 𝑅 : 저항[Ω], 𝜌: 비저항[Ω∙𝑚], 𝐿 : 도선의 길이[𝑚], 𝐴: 도선의 단면적[𝑚], 𝜎: 전기전도도[S/𝑚]

3. Free-standing film 공정

1) Free-standing film 제작

① LMP/polymer composite ink를 Teflon mold에 부은 후, 50℃ 오븐에서 24시간 동안 열처리하여 남은 solvent를 제거한다.

② 시편을 폭 0.5cm, 길이 3cm로 잘라 준비한다.

③ LMP network 활성화 단계와 동일한 방법으로 sonication 공정을 진행하여 활성화한다.

Fig. 8. Free-standing film 활성화 공정.

2) 기계적 물성 측정

① 시편의 폭, 길이, 두께를 Vernier calipers로 측정한다.

② 만능인장시험기(UTM)을 이용하여 시편을 양쪽으로 잡아당겨 끊어질 때까지 가해지는 힘(stress)과 늘어난 길이(strain)를 측정한다.

③ 측정 결과를 통해 Stress-Strain curve 및 stretchability를 도출한다.

결과 및 평가

개발 과제 핵심 결과

◇ SEM 분석 및 Percolation threshold 도출

액체금속 입자 기반 복합 전도체에서 전기전도도는 입자 간 연결을 통해 형성되는 퍼콜레이션 네트워크에 의해 결정된다. 액체금속 함량이 낮은 경우 입자들이 고분자 내부에 독립적으로 분산되어 전도 경로가 형성되지 않지만, 함량이 증가하면 입자 간 거리가 감소하면서 연속적인 전도 경로가 형성되고 전기전도도가 급격히 증가한다. 이때 절연체 상태에서 전도체 상태로 전이되는 임계 조성을 퍼콜레이션 임계점(percolation threshold)이라 한다. 본 연구에서는 액체금속 입자를 sonication 공정을 통해 분산시킨 후 음향장 기반 활성화를 수행하였다. 활성화 과정에서 입자 표면 산화막이 부분적으로 파괴되고 액체금속 나노 인터커넥터가 형성되어 입자 간 연결이 촉진되었으며, 이를 통해 전도성 퍼콜레이션 네트워크가 형성되었다. 퍼콜레이션 네트워크 형성을 정량적으로 분석하기 위해, 측정된 초기 저항과 시편 치수를 이용하여 다음 식으로 전기전도도를 계산하였다.

여기서 L은 전극 길이, R은 측정된 초기 저항, A는 전극의 단면적을 의미한다. 단면적 A는 전극의 폭과 두께를 곱하여 계산하였으며, 이때 전극의 두께는 단면 SEM 이미지 분석을 통해 얻어진 평균 두께로 약 17 μm를 사용하였다.

Fig. 9. 60 vol% 전도체의 단면 SEM 이미지 (평균 두께 17 μm).

이렇게 도출된 액체금속 부피분율에 따른 전기전도도 변화 추이는 Graph. 1에 나타내었다. 전기전도도는 LM 부피분율 증가에 따라 지속적으로 증가하였으며, 40, 50, 60, 70 vol% 조성에서 각각 8.32×10³, 4.12×10⁴, 8.45×10⁴, 1.41×10⁵ S/m의 값을 나타냈다. 이를 퍼콜레이션 이론의 Power-law 관계식에 적용하였다.

여기서 σ는 복합체의 전기전도도, ϕ는 액체금속의 부피분율, ϕc는 퍼콜레이션 임계 부피분율, σ0는 비례상수, t는 임계 지수를 의미한다. 측정 데이터를 Percolation power law 식에 비선형 피팅한 결과, 퍼콜레이션 임계점ϕc은 약 35.0 vol%, 임계 지수 t는 약 1.45, 결정계수 R^2는 0.9999로 계산되었다. 이는 본 연구에서 제조한 액체금속-고분자 복합체가 약 35 vol% 이상의 액체금속 함량에서 전도성을 나타내기 시작함을 의미한다. 완벽한 구형 입자가 3차원 공간에 채워질 때 이론적 임계점은 약 16-30%로 알려져 있으나, 본 소재의 임계점이 약 35 vol%로 형성된 이유는 액체금속 표면 산화막과 고분자 매트릭스의 영향으로 높은 밀집도를 요구하는 것으로 해석된다. 또한 임계 지수의 이론적 통계에 따르면 2D 네트워크의 지수는 약 1.3 3D 네트워크의 지수는 약 2.0으로 알려져 있으나, 본 소재는 1.45로 2D와 3D의 중간 특성을 보인다. 이는 제작된 전극이 완전한 등방성이 아니라, 두께가 얇은 필름 내에서 액체금속 입자들이 수평 방향으로 편평한 상태의 네트워크를 형성했음을 시사한다. 또한 높은 결정 계수가 1에 가까운 값을 보이며, 40-70 vol% 구간의 전도도 데이터가 퍼콜레이션 이론의 멱법칙 증가 거동을 오차 범위 내에서 잘 따르고 있음을 보여준다.

 
Graph. 1. LM 부피분율에 따른 전기전도도 변화.                                   Graph. 2. Percolation power law 모델 피팅 결과.

◇ LM 부피분율에 따른 전기적 특성 평가

1) 초기 저항 변화 분석

액체금속 부피분율 변화에 따른 전기적 특성을 평가하기 위해 활성화된 전도성 라인의 초기 저항을 측정하였다. Graph. 3은 LM 함량에 따른 평균 초기 저항값을 나타낸다.

Graph. 3. LM 부피분율에 따른 초기 저항 변화.

복합체 내부의 LM 부피분율이 증가함에 따라 초기 저항이 급격히 감소하는 경향을 확인하였다. 40 vol%는 약 18 Ω 수준의 가장 높은 저항을 나타냈으나, 50 vol%에서는 약 3 Ω 수준으로 감소하였다. 이후 60 vol%와 70 vol%에서는 각각 약 1.5 Ω 및 1.0 Ω 수준까지 감소하였다. 특히 40 vol%에서 50 vol% 사이 구간에서 가장 큰 저항 감소가 나타났는데, 이는 액체금속 입자 간 평균 거리가 감소하면서 전도성 퍼콜레이션 네트워크가 급격히 발달하였기 때문으로 판단된다. LM 함량이 증가할수록 음향장 활성화 과정에서 형성되는 나노 인터커넥터의 밀도가 높아지고 액체금속 입자 간 접촉이 증가하면서 효과적인 전도 경로가 구축된 것이다. 반면, 60 vol% 이상에서는 저항 감소 폭이 상대적으로 완만해지는 경향을 나타냈다. 이는 이미 충분한 전도 경로가 형성된 상태에서 추가적인 액체금속 도입이 전도도 향상에는 기여하지만, 전도 네트워크의 연결성이 포화 상태에 도달하기 때문으로 해석된다. 따라서 본 결과는 액체금속 함량 증가가 전도성 퍼콜레이션 네트워크 형성을 촉진하여 전극의 초기 저항을 효과적으로 감소시킴을 보여준다.

2) 인장 변형에 따른 상대 저항 변화율 평가

신축성 전도체의 전기적 안정성을 평가하기 위해 인장 변형에 따른 상대 저항 변화율(ΔR/R₀)을 측정하였다. 상대 저항 변화율은 다음 식을 이용하여 계산하였다.

이때 R₀는 변형 전 초기 저항, R은 특정 변형률에서의 저항을 의미한다. 실험 결과, 모든 시편에서 변형률이 증가함에 따라 상대 저항이 증가하는 경향을 나타냈다. 이는 기계적 인장 과정에서 액체금속 입자 사이의 거리가 증가하고 일부 전도 경로가 단절되기 때문이다. 그러나 LM 부피분율에 따라 저항 증가 양상에는 뚜렷한 차이가 관찰되었다.

Graph. 4. 인장 변형에 따른 상대 저항 변화율.

40 vol% 시편은 변형 시작되는 초기 구간부터 저항 변화율이 급격히 상승하면서 전도 네트워크가 가장 빠르게 붕괴되는 거동을 나타냈다. 50 vol% 시편 역시 변형이 증가함에 따라 상대 저항이 가파르게 증가하였으며, 높은 변형 영역에서는 전도 경로의 불안정성을 보였다. 반면 60 vol%와 70 vol% 시편은 상대적으로 완만한 저항 증가 곡선을 보였다. 특히 60 vol% 시편은 넓은 변형 구간까지 가장 낮은 상대 저항 변화율을 유지하며 초기 변형에 대해 높은 저항성을 보였다. 또한 70 vol% 시편은 최대 인장 구간까지 파단 없이 가장 완만한 저항 증가 곡선을 유지하였다. 이는 높은 LM 함량에서 일부 연결이 손상되더라도 우회할 수 있는 다중 전도 경로를 제공하여 전류를 안정적으로 전달하기 때문이다. 또한 액체금속 고유의 유동성과 음향장 활성화로 형성된 나노 인터커넥터가 변형 과정에서 재연결을 유도하여 전도성을 유지한 것으로 판단된다. 따라서 LM 함량 증가는 인장 변형 환경에서의 전기적 안정성 확보에 중요한 역할을 하며, 본 연구에서는 70 vol% 조성이 가장 우수한 전기적 안정성을 보였다.

3) Cyclic Test를 통한 반복 변형 안정성 평가

실제 웨어러블 전자소자는 반복적인 인장과 이완 환경에 지속적으로 노출된다. 따라서 장기적인 동적 피로 누적에 따른 전도 네트워크의 파괴 및 가역적 재연결 성능을 정량적으로 평가하는 것이 필수적이다. 본 연구에서는 60 vol% 시편을 대상으로 cyclic loading test를 수행하였다. 실험은 20% strain, 200%/min의 strain rate 조건에서 총 1000 cycle 동안 반복 인장을 가하며 저항 변화를 측정하였다.

Graph. 5. 반복 변형 시 정규화 저항 및 절대 저항 변화.

반복 인장 시험 결과, 1000 cycle 동안 정규화된 저항은 약 1.00에서 1.01 Ω 수준으로 유지되었으며, 전체 시험 구간에서 유의미한 저항 증가가 관찰되지 않았다. 저항값 역시 초기 약 1.72 Ω에서 시험 종료 후 약 1.75 Ω 수준으로 유지되어 전체 저항 증가율은 약 1.7% 이내로 나타났다. 확대 그래프에서 확인할 수 있듯이 각 cycle 동안 인장 시 저항이 증가하고 이완 시 다시 초기값으로 회복되는 가역적인 거동이 반복적으로 나타났다. 1,000회의 반복 변형에도 불구하고 베이스라인 저항이 초기 수치에서 거의 변동 없이 유지하는 우수한 가역성을 나타내었으며, 실질적인 영구 저항 상승이 발생하지 않음을 확인하였다. 이는 액체금속 입자가 고분자 매트릭스 내부에 고정되어 있어 변형이 가해지더라도 액체금속의 유동성과 나노 인터커넥터 구조에 의해 전도 경로가 지속적으로 유지되기 때문이다. 따라서 액체금속 기반 퍼콜레이션 네트워크는 반복적인 기계적 변형 환경에서도 안정적인 전도성을 유지할 수 있으며, 웨어러블 전자소자 및 신축성 회로 응용에 적합한 전기적 신뢰성을 제공함을 확인하였다.

◇ LM 부피분율에 따른 기계적 물성 평가

신축성 전도체는 높은 전기전도도뿐만 아니라 외부 변형 환경에서도 구조적 안정성을 유지할 수 있는 기계적 특성이 요구된다. 따라서 액체금속 함량 변화가 복합체의 기계적 거동에 미치는 영향을 분석하기 위하여 만능인장시험기(UTM)를 이용하여 free-standing film에 대한 인장 시험을 수행하였으며, stress–strain curve를 도출하였다. Stress–strain curve는 재료에 가해진 응력과 변형률 사이의 관계를 나타내는 곡선으로 재료의 강도, 탄성 변형 거동 및 파단 특성을 평가할 수 있다. 특히 곡선 초기 선형 탄성 영역의 기울기로부터 Young’s modulus를 계산하였다. Young’s modulus는 재료의 강성을 나타내는 지표로, 값이 클수록 외부 변형에 대한 저항성이 크다는 것을 의미한다. Young’s modulus는 다음 식으로 계산하였다.

여기서 E는 Young’s modulus, σ는 stress (응력), ε는 strain (변형률)을 의미한다.

Graph. 6. LM 부피분율에 따른 Stress-Strain curve와 Young’s modulus.

도출된 실험 결과에 따르면, 액체금속 함량 증가에 따라 기계적 거동이 크게 변화하는 것을 확인할 수 있다. 40 vol%는 가장 높은 파단 변형률을 나타내었으나, 최대 응력과 영률이 가장 낮게 측정되었다. 이는 고분자 매트릭스의 비율이 높아 기계적 변형을 유연하게 수용할 수 있지만, 외부 하중에 대한 저항성은 상대적으로 낮기 때문이다. 50 vol%로 증가하면서 파단 변형률이 약 절반 수준으로 감소하였으나, 최대 응력과 영률은 모두 증가하였다. 이는 액체금속 입자 함량 증가에 따라 복합체 내부 충진 밀도가 증가하여 강성이 향상되지만, 고분자 매트릭스의 연속성이 감소하여 신축성은 저하되는 형태를 보인다. 60 vol% 시편은 본 연구에서 가장 우수한 기계적 특성을 나타냈다. 최대 응력은 모든 조성 중 가장 높게 측정되었으며, 영률 또한 가장 높은 값을 나타냈다. 파단 변형률은 약 12% 수준으로 감소하였으나 높은 강도와 강성을 동시에 확보하였다. 이는 액체금속 함량 증가로 복합체 내부 충진 및 응력 전달이 효과적으로 이루어졌기 때문으로 해석된다. 70 vol%의 경우 60 vol% 대비 최대응력과 영률 모두 감소하였으며, 파단 변형률도 약 8% 수준으로 감소하여 가장 낮은 연성을 나타냈다. 과도한 액체금속 함량으로 인해 고분자 매트릭스의 연속성이 감소하고 구조적 결함이 발생하여 기계적 안정성이 저하되는 경향을 나타냈다. 이는 액체금속 함량 증가에 따라 복합체의 강성은 증가하지만, 일정 함량 이상에서는 강성 향상 효과가 포화되며 신축성 감소는 지속적으로 발생한다. 따라서 기계적 강도 및 구조적 안정성 측면에서 60 vol% 조성이 가장 우수한 균형을 나타내는 최적 조성으로 판단하였다.

◇ LM 부피분율에 따른 신축성 및 전도도 평가

유연 전극을 실제 디바이스에 응용하기 위해서는 기계적 신축성(Stretchability)과 전기전도도(Conductivity)를 동시에 만족해야 한다. 이를 정량적으로 분석하기 위해, 각 시편의 파단 변형률을 도출하였으며, 초기 저항과 시편 치수를 바탕으로 전기전도도를 산출하였다. 이후 LM 부피분율에 따른 신축성과 전기전도도를 동시에 비교하여 두 물성 간의 trade-off 관계를 분석하였다.

Graph. 7. Stretchability-Conductivity trade-off 관계.

액체금속 함량이 증가할수록 신축성은 지속적으로 감소하는 경향을 보였다. 복합체에서 실제 변형을 수용하고 응력을 지지하는 주체인 고분자 매트릭스의 상대적 비율이 줄어들고, 매트릭스 내 연속성이 감소하면서 기계적 변형을 수용하는 능력이 약화되기 때문이다. 반대로, 전기전도도는 액체금속 함량 증가에 따라 지속적으로 증가하였다. 이는 복합체 내부의 전도성 입자 수가 많아질수록 입자 간 평균 거리가 감소하면서 전도성 경로가 조밀하게 형성되고, 다중 전도 경로가 형성되기 때문이다. 이와 같이 신축성과 전도도는 서로 상충되는 관계를 나타냈다. Graph. 7에서 두 곡선은 약 50 vol% 부근에서 교차하지만, 이는 단순히 두 물성의 상대적인 변화 추세를 보여주는 지점일 뿐 최적 조성을 의미하지는 않는다.

따라서 본 연구에서는 신축성과 전기전도도를 종합적으로 고려하기 위해 다음 Graph. 8과 같이 Figure of Merit(FoM)을 성능 지수로 정의하였다.

Graph. 8. LM 부피분율에 따른 Figure of Merit.

FoM은 높은 전기전도도와 높은 신축성을 동시에 갖는 조성일수록 큰 값을 갖는다. FoM은 40 vol%에서 약 4.0×10⁵, 50 vol%에서 약 7.0×10⁵, 60 vol%에서 약 1.0×10⁶으로 증가했으며, 70 vol%에서는 약 8.1×10⁵ 수준으로 감소하였다. 60 vol% 시편이 가장 높은 FoM 값을 나타내어 신축성과 전기전도도의 균형이 가장 우수한 것으로 확인되었다. 또한 앞서 수행한 전기적 안정성 평가와 기계적 물성 평가 결과를 종합하면, 60 vol% 조성은 낮은 초기 저항, 우수한 인장 안정성, 가장 높은 Young's modulus 및 최대 FoM 값을 동시에 나타냈다. 따라서 본 연구에서는 60 vol%를 전기적 특성과 기계적 특성이 가장 균형을 이루는 최적 액체금속 조성으로 선정하였다.

◇ Sonication amplitude 에너지에 따른 전기전도도 평가

액체금속 기반 전도체의 활성화 메커니즘을 규명하고 최적 공정 조건을 도출하기 위하여, sonication 누적 에너지에 따른 전기전도도 변화를 평가하였다. 실험은 1 cm × 1 cm 크기의 시편을 sonicator tip으로부터 약 1 mm 떨어진 위치에 고정한 후, 10초 간격으로 연속적인 sonication을 수행하면서 전도도를 측정하였다. 이때 x축의 에너지 값은 각 sonication 시간에 대응하는 누적 초음파 에너지 밀도로 환산하여 나타내었다.

Graph. 9. 누적 Sonication 에너지에 따른 전기전도도 변화.

초음파를 가하지 않은 초기 상태에서는 액체금속 입자 표면의 산화막으로 인해 입자 간 전기적 연결이 제한되어 전도도가 거의 나타나지 않았다. 그러나 누적 에너지가 증가함에 따라 전기전도도는 증가하는 경향을 보였다. 특히 22.64 GJ/m² 까지 에너지 누적되는 초기 구간에서는 전도도가 5.56×10⁴ S/m까지 급격히 상승하였다. 최종적으로 1분 동안 33.96 GJ/m²의 에너지가 가해진 시점에서는 전기전도도가 7.50×10⁴ S/m에 도달하였다. 이는 초음파 인가 시 매질 내에서 발생하는 음향 공동화(Acoustic cavitation) 현상과 국부 압력에 의해 액체금속 입자 표면의 산화막이 부분적으로 파괴되고, 인접한 입자 간 액체금속 나노 인터커넥터가 형성되었기 때문으로 판단된다. 낮은 에너지 조건에서는 일부 입자들만 선택적으로 연결되어 제한적인 전도 경로가 형성되었으나, 인가되는 에너지가 증가함에 따라 활성화되는 입자 수가 증가하면서 조밀한 퍼콜레이션 네트워크가 구축되었다. 그러나 일정 에너지 이상에서는 전기전도도 증가 폭이 감소하는 포화 거동을 나타냈다. 이는 대부분의 액체금속 입자가 이미 전기적으로 연결된 상태에서 추가적인 초음파 에너지가 새로운 전도 경로를 형성하는 데 미치는 기여도가 감소하기 때문으로 해석된다. 따라서 본 연구는 인가되는 sonication 에너지가 액체금속 입자 네트워크의 활성화 정도를 결정하는 가장 핵심적인 공정 변수이며, 적절한 초음파 에너지 인가를 통해 전도성 퍼콜레이션 네트워크를 효과적으로 형성할 수 있음을 확인하였다.

포스터

개발 과제 평가

개별 과제 관련 향후 전망

본 연구에서 확립한 액체금속-고분자 복합 잉크 조성 및 스크린 프린팅 공정 기술은 공정이 단순하고 생산성이 높아 기존 인쇄전자 산업과의 우수한 호환성을 보여줄 것이다. 균일한 패턴을 대량으로 찍어낼 수 있는 유연 전자소자 제조 공정의 기준 지표로 활용하기에 적합하고 특히 액체금속의 부피분율에 따른 최적 조성 기술과 후속 음향장 활성화 공정은, 그동안 해외 선도 연구기관을 중심으로 개발되던 고성능 신축성 전극 기술 분야에서 국내 유연전자 소재 연구의 기반 기술로 자리 잡을 것으로 예상된다. 이에 더해 잉크 조성을 더욱 고도화하여 다양한 기판에도 정밀하게 반복 인쇄가 가능한 최적의 공정 조건을 확립해 나가 더욱 정밀한 시스템이 만들어질 것으로 보인다. 반복적인 변형 환경에서도 저항 변화가 최소화되는 전극 구조는 유연 디스플레이, 소프트 로보틱스, 유연 센서 등 지속적인 움직임과 스트레스가 동반되는 여러 차세대 산업의 핵심 부품 기술로 확장하여 적용할 수 있다. 또한 장시간 연속 측정 시에도 액체금속의 누설이나 전기적인 불안정성 없이 안정적으로 구동하는 특성은 피부 부착형 전자소자의 신뢰성을 크게 높여주고 결과적으로 일상생활 속 움직임에 따른 성능 저하를 최소화하여 실시간 건강 모니터링 및 개인 맞춤형 헬스케어 기술의 구현 가능성을 열어줄 것이다. 나아가 고령화 사회에서 요구되는 지속적인 건강관리 서비스와 원격 의료 시스템 구축을 위한 실질적인 기술적 기반이 될 것으로 기대된다.

참고 문헌

[1] H. Hwang, J. Lee, and J. B. Tok, “Engineering liquid metal particles: Design rules for sonication-based methods,” Nano Lett., vol. 25, no. 25, pp. 9881–9890, 2025.

[2] X. Li et al., “High-resolution liquid metal-based stretchable electronics enabled by colloidal self-assembly and microtransfer printing,” Sci. Adv., vol. 11, no. 35, p. eadw3044, 2025.

[3] W. Lee et al., “Universal assembly of liquid metal particles in polymers enables elastic printed circuit board,” Science, vol. 378, no. 6620, pp. 637–641, 2022.

[4] O. Gul et al., “Mechanochemically activatable liquid metal powders for sustainable, reconfigurable, and versatile electronics,” Adv. Funct. Mater., vol. 36, no. 22, p. e27396, 2026.

[5] J. Kang, L. Lee, and K. Jung, “Liquid metal particle-assembled networks synthesized in various polymers and manufacturing method of the same,” U.S. Patent Application US 2023/0227681 A1, Jul. 20, 2023.

[6] C. J. Thrasher, C. E. Tabor, Z. J. Farrell, N. J. Morris, and M. C.-S. Yuen, “Architected liquid metal networks and processes of making and using same,” U.S. Patent Application US 2020/0146142 A1, May 7, 2020.

[7] Y. Hamada, “Formation of conductive circuit, conductive circuit, and conductive ink composition,” U.S. Patent 9,018,095 B2, Apr. 28, 2015.

[8] H. Ma, M. Gu, Y. Qu, S. Guo, C. Xu, and Z. Guo, “Method for preparing micro-nano flexible conductive circuit based on ultrasonic driving of liquid metal,” U.S. Patent Application US 2025/0374438 A1, Dec. 4, 2025.

[9] 한국특허전략개발원, 「첨단전략산업 글로벌 기술동향과 특허(2025년 8월호)」, 2025.

[10] 특허청, 「첨단기술로 무장한 의료기기 특허출원, 10년 만에 42%↑」, 보도자료, 2025년 8월 6일