액체금속의 자발적인 젖음 현상(사진. 한국연구재단)

한국연구재단은 서울과학기술대학교 구형준 교수(제1저자 김지혜/김수영) 연구팀과 한국생산기술연구원 소주희 수석연구원이 웨어러블 전자소자의 전극물질로 사용되는 액체금속의 자발적이고 제어 가능한 코팅 기술을 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 이번 연구를 통해 침염에 의한 액체금속 젖음 현상의 수치해석을 통해, 향후 금속 표면에서 액체금속 젖음 거동에 적용 가능한 이론적 토대를 마련했다.

기술 개요
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 줘 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 필요했다. 
 
연구 내용
연구팀은 갈륨계 액체금속이 다른 금속과 합금을 형성하기 쉽다는 특성에 주목했다. 또한 액체가 미세구조로 흡수되는 침염(Imbibition) 현상을 이용해 액체금속의 젖음이 미세구조를 따라 일어나도록 유도했다.  
먼저 수십 마이크로 미터 크기의 원기둥이 배열된 기판을 제작하고 그 위에 구리를 증착했다. 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 통해 미세구조가 없는 구리 기판 위에서는 보이지 않았던 액체금속의 완전한 젖음 및 퍼짐 현상이 관찰됐다. 이 침염 현상은 마이크로 구조를 따라서만 일어나기 때문에 이를 이용해 연구팀은 액체금속의 선택적인 패터닝 기술을 구현했다. 또한 액체금속의 침염 현상이 원기둥의 간격과 높이 비율의 특정 조건에서 발현됨을 수학적으로 유도하고, 이를 실험적으로 뒷받침했다. 
개발된 코팅공정을 통해 제작된 액체금속 전극은 높은 인장률에도 안정적인 전기전도도를 보여 신축전극으로서 활용이 가능함을 증명한 사례이다. 

기대성과
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 마련했다. 본 연구를 기반으로 액체 금속의 계면 현상을 이해하고 침염에 의한 젖음 현상을 지속 연구해 액체 금속 유동 제어와 관련한 선두 기술을 확보할 수 있을 것으로 보인다.