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May 30, 2023

응고된 액체 금속을 사용하여 3D 유연한 전자 장치 제작

2023년 2월 23일 특집 이 기사는 Science X의 편집 과정 및 정책에 따라 검토되었습니다. 편집자들은 콘텐츠의 특성을 확인하면서 다음 속성을 강조했습니다.

2023년 2월 23일 특집

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작성자: Ingrid Fadelli, Tech Xplore

최근 몇 년 동안 엔지니어와 재료 과학자들은 다양한 모양과 크기의 유연한 전자 장치를 만드는 데 특히 유망한 재료를 식별하려고 노력해 왔습니다. 궁극적으로 이러한 전자 장치는 웨어러블 장치(예: 생체 신호를 모니터링하는 스마트 시계 및 의료 장치), 소프트 로봇 및 기타 시스템에 통합될 수 있습니다.

신축성 전자 장치를 제조하는 데 사용할 수 있는 다양한 유형의 재료 중에는 본질적으로 갈륨을 포함하는 금속 혼합물인 갈륨 합금 기반의 액체 금속이 있습니다. 액체 갈륨 합금은 본질적으로 유동성이 있고 전도성이 높으며, 부드럽거나 유연한 전자 장치를 만드는 데 두 가지 유리한 특성을 가지고 있습니다.

그러나 액체 금속을 사용하여 3차원(3D) 회로를 구축하는 것은 지금까지 어려운 일이었습니다. 이로 인해 액체 갈륨 합금을 사용하여 만들 수 있는 구조에 한계가 설정되어 부드럽고 신축성 있는 전자 장치를 만드는 데 널리 사용되는 것을 방해했습니다.

하얼빈 공과대학(Harbin Institute of Technology)과 중국과학원(China Academy of Sciences)의 연구원들은 최근 액체 갈륨-인듐 합금을 사용하여 3D 회로를 갖춘 유연한 전자 장치를 제작했습니다. Nature Electronics에 발표된 그들의 논문은 고체-액체 상전이, 기계적 강도 및 고체 상태의 우수한 가소성을 포함하여 유연한 전자 장치 개발에 적합한 품질을 갖춘 갈륨 합금을 확인했습니다.

Guoqiang Li와 그의 동료들은 논문에서 "우리는 갈륨-인듐 합금이 고체-액체 상전이와 액체 금속의 소성 변형을 이용하여 3D 회로로 유연한 전자 장치를 제조하는 데 사용될 수 있음을 보여줍니다."라고 썼습니다.

갈륨-인듐 합금인 Ga10In을 사용하여 유연한 전자 장치를 제작하기 위해 연구진은 먼저 합금의 대량 샘플을 저온으로 냉각했습니다. 이 과정을 통해 재료를 견고한 금속 와이어와 시트로 만들 수 있었습니다.

"단단하지만 소성 변형이 가능한 합금 와이어는 낮은 온도(섭씨 15도 미만)에서 회로로 성형되고 용융 온도 이상으로 가열되기 전에 엘라스토머에 캡슐화됩니다"라고 Li와 그의 동료들은 논문에서 설명했습니다. "결과적으로 과냉각 효과는 합금이 녹는점 이하를 포함하여 광범위한 온도에서 액체 상태를 유지할 수 있게 해줍니다."

연구진은 사전 제작된 액체 금속 구조물을 엘라스토머에 캡슐화하고 섭씨 22.7도 이상으로 가열함으로써 이러한 구조물이 유동성을 회복하도록 했습니다. 이 공정을 통해 전기를 전도하는 신축성 있는 액체 금속이 탄생했으며, 이를 통해 유연한 전자 부품을 만드는 데 사용할 수 있습니다.