3조(태슬라)

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 응용화학공학부·과 2022530016 이슬(팀장)

서울시립대학교 화학공학부·과 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. 또한 표면 기능화 및 용매-계면 제어를 통해 액체금속 입자의 분산 안정성을 향상시키고 장기간 안정적인 콜로이드 분산을 유지하는 기술도 제시되고 있다. 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. 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. 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.

◇ 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?), 기계적 압력 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. , 용매 증발 중 발생하는 모세관력?)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.?)

• 특허조사 및 특허 전략 분석

◇ 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. 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.

또한 표면 기능화 및 용매-계면 제어를 통해 액체금속 입자의 분산 안정성을 향상시키고 장기간 안정적인 콜로이드 분산을 유지하는 기술도 제시되고 있다. 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.
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. 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. 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.

◇ 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?), 기계적 압력 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. , 용매 증발 중 발생하는 모세관력?)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.?)

• 기술 로드맵

내용

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

내용

• 마케팅 전략 제시

내용

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

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

설계사양

제품의 요구사항

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설계 사양

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개념설계안

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이론적 계산 및 시뮬레이션

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상세설계 내용

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결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

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포스터

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관련사업비 내역서

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완료작품의 평가

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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.

특허 출원 내용

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