카이스트가 개발한 ‘똑똑한 투명 망토’ Versatile Liquid Metal Composite Inks for Printable, Durable, and Ultra-Stretchable Electronics

Versatile Liquid Metal Composite Inks for Printable, Durable, and Ultra-Stretchable Electronics

Liquid metal (LM) offers exceptional potential for stretchable and flexible applications due to its outstanding stretchability, flexibility, and electrical conductivity. The inherent characteristics of LM–such as high surface tension, low viscosity, poor wettability, and sintering challenges–pose significant obstacles for use in commercial printing.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202501829

영화 해리 포터의 투명 망토와

레이더에 잡히지 않는 스텔스 전투기의 공통점은 무엇일까?

액체금속 복합 잉크(LMCP, Liquid Metal Composite Ink) 기반

바로 물체가 있어도 보이지 않는다는 점이다. 우리 연구진은 이러한 개념을 한 걸음 더 나아가, 늘어나고 움직일수록 전파를 더 잘 숨길 수 있는 ‘똑똑한 투명 망토’와 같은 기술을 개발했다. 이 기술은 움직이는 로봇과 몸에 붙이는 웨어러블 기기, 차세대 스텔스 기술의 새로운 가능성을 열 것으로 기대된다.

카이스트 기계공학과 김형수 교수와 원자력및양자공학과 박상후 교수 연구팀이 액체금속 복합 잉크(LMCP, Liquid Metal Composite Ink)를 기반으로, 전자기파를 흡수·조절·차폐할 수 있는 차세대 신축성 클로킹(cloaking)* 기술의 핵심 원천기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

* 클로킹: 물체가 있어도 레이더나 센서 같은 탐지 장비에는 없는 것처럼 보이게 만드는 기술

클로킹 기술을 구현하려면 물체의 표면에서 빛이나 전파를 자유롭게 조절할 수 있어야 한다. 그러나 기존 금속 재료는 딱딱하고 잘 늘어나지 않아, 억지로 늘리면 쉽게 끊어지는 한계가 있었다. 이 때문에 몸에 밀착되는 전자기기나 자유롭게 형태가 변하는 로봇에 적용하는 데 어려움이 컸다.

연구팀이 개발한 액체금속 복합 잉크는 원래 길이의 최대 12배(1200%)까지 늘려도 전기가 끊어지지 않으며, 공기 중에 1년 가까이 두어도 녹슬거나 성능이 거의 떨어지지 않는 높은 안정성을 보였다. 기존 금속과 달리, 이 잉크는 고무처럼 말랑하면서도 금속의 기능을 그대로 유지한다.

이러한 특성은 잉크가 마르는 과정에서 내부의 액체금속 입자들이 서로 연결돼 그물망 같은 금속 네트워크 구조를 스스로 형성하기 때문에 가능하다. 이 구조는 ‘메타물질’로, 잉크로 아주 작은 무늬를 반복해 인쇄함으로써 전파가 해당 구조를 만났을 때 설계된 방식대로 반응하도록 만든 인공 구조물이다. 그 결과 액체처럼 유연하면서도 금속처럼 튼튼한 성질을 동시에 갖게 된다.

제작 방법도 간단하다. 고온으로 굽거나 레이저로 가공하는 복잡한 공정 없이, 프린터로 인쇄하거나 붓으로 칠한 뒤 말리기만 하면 된다. 또한 액체를 말릴 때 흔히 발생하는 얼룩이나 갈라짐 현상이 없어, 매끄럽고 균일한 금속 패턴을 구현할 수 있다.

그림. LMCP 잉크의 물성 비교, 프린팅 공정 적용성, 기계적·전기적 성능, 다양한 기판 활용성. (a) 기존 액체금속 기반 잉크들과 본 연구의 LMCP 잉크의 표면장력, 점도, 젖음성, 후처리 필요성 등을 비교한 결과. LMCP 잉크는 상대적으로 높은 점도와 우수한 젖음성을 유지하면서도 후처리가 필요 없는 장점을 지님을 보여준다. (오른쪽 레이더 차트: 전기전도도, 표면장력, 점도, 젖음성, 후처리 여부 등 주요 성능지표의 정성적 비교). (b) LMCP 잉크의 self-sintering 특성을 기반으로 한 다양한 프린팅 방법: 노즐 기반 직접 프린팅(direct writing), 브러싱(brushing), 쉐도우 마스크(shadow mask)와 닥터블레이드(doctor blade) 공정을 이용한 패터닝, 그리고 롤투롤(roll-to-roll) 방식에서의 대면적 전극 제작. (c) LMCP 전극의 신축성 및 전기적 안정성. 샘플을 0%에서 1200%까지 늘릴 때 저항 변화 측정 결과와, 3 V LED 구동 실험을 통해 0%~500% 변형에서도 안정적인 동작을 확인. (d) LMCP 잉크로 제작된 다양한 패턴 및 소자 사례. 대면적 균일 코팅, 정밀 그리드 패턴, 균열 없이 형성된 금속 경로, 인장 상태에서 작동하는 LED 회로, 그리고 신축성 스파이럴(spiral) 전극 등 응용 가능 구조를 제시. (e) LMCP 잉크가 다양한 기판(SIR, NBR, PVC, PET, WPU, PDMS, Latex)에 안정적으로 인쇄됨을 보여주는 예시로, 기판 종류와 관계없이 우수한 패턴 재현성과 부착성을 나타냄.

연구팀은 이 잉크의 성능을 입증하기 위해, 늘어나는 정도에 따라 전파를 흡수하는 성질이 달라지는 ‘신축성 메타물질 흡수체’를 세계 최초로 제작했다.

잉크로 무늬를 찍은 뒤 고무줄처럼 늘리기만 하면, 흡수하는 전파의 종류(주파수 대역)가 달라진다. 이는 상황에 따라 레이더나 통신 신호로부터 물체를 더 잘 숨길 수 있는 클로킹 기술로 이어질 수 있음을 보여준다.

이번 기술은 신축성, 전도성, 장기 안정성, 공정 단순성, 전자기파 제어 기능을 동시에 만족하는 획기적인 전자소재 기술로 평가된다.

김형수 교수는 “복잡한 장비 없이 프린팅 공정만으로도 전자기파 기능을 구현할 수 있게 됐다”며 “이 기술은 앞으로 로봇의 피부, 몸에 붙이는 웨어러블 기기, 국방 분야의 레이더 스텔스 기술 등 다양한 미래 기술에 활용될 것으로 기대된다”고 말했다.

< (윗줄 왼쪽) 이현승 박사과정, 최원호 교수, (앞줄 왼쪽)김형수 교수, 박상후 교수, (상단) 1저자 편정수 박사 >

이번 연구는 차세대 전자소재 분야에서 중요한 원천기술로 인정받아 윌리(Wiley) 국제 학술지‘스몰(Small)’에 2025년 10월호에 10월 16일자로 게재됐으며, 표지논문으로 선정되는 성과를 거두었다.

※ 논문명: J. Pyeon H. Lee, W. Choe, S. Park, H. Kim, "Versatile Liquid Metal Composite Inks for Printable, Durable, and Ultra-Stretchable Electronics," Small 2501829 (2025)

DOI: https://doi.org/10.1002/smll.202501829

※ 주저자 정보: 제1저자 편정수 박사, 공동저자 이현승 박사과정, 최원호 교수, 교신저자 김형수 교수, 박상후 교수

이 성과는 한국연구재단 개인기초 중견 연구 (MSIT: 2021R1A2C2007835)와 KAIST UP Program의 받아 수행되었다.

국제 학술지 ‘스몰’ 2025년 10월 호 표지논문 선정

카이스트

https://youtu.be/tITfGjVUY-E