액체 금속 재료에 대해 알아야 할 모든 것

갈륨은 상온에서 고체 매질의 기계적 유연성과 전기적 강성을 유지하면서 액체 금속 재료로 유지할 수 있습니다. 이 문서에서는 이 특별한 연성 금속의 물리화학적 특성, 합성 방법 및 유연한 전자 장치, 소프트 로봇 공학, 자가 치유 구조 등 잠재적인 응용 분야에 대해 설명합니다. 고체와 액체 상태 사이에서 변화할 수 있는 특성을 가진 액체 금속 재료로 과학자들이 어떤 연구를 하고 있는지 알아보세요.

액체 금속 재료: 형태 변형 제조

기존의 액체 금속 재료와 달리 갈륨의 특정 합금 조성물은 녹는점이 매우 낮기 때문에 실온 또는 그 근처에서 유체 상태를 달성합니다. 따라서 온도를 조금만 조절해도 고체와 액체 상 사이를 동적으로 전환할 수 있습니다. 전기 전도성과 결합하면 이러한 가역적 전이를 통해 자가 치유 회로부터 재구성 가능한 로봇 공학까지 다양한 애플리케이션을 구현할 수 있습니다. 여기에서는 갈륨 기반 액체 합금의 구체적인 특징, 특성 및 잠재적 용도, 그리고 이 다용도 소프트 소재를 사용하여 구조를 만들고 패터닝하는 새로운 접근 방식을 소개합니다.

갈륨 합금과 구조화된 상온 액체 금속의 미래

갈륨은 상온에서 고체 상태인 부드러운 은빛 금속입니다. 하지만 갈륨이 인듐이나 주석과 같은 다른 금속과 결합하면 상온에서 액체 상태로 유지되는 합금 또는 혼합물이 됩니다. 이러한 특수 액체 금속 재료는 다소 독특한 특성을 지니고 있으므로 좀 더 자세히 살펴 보겠습니다.

세 가지 갈륨 합금은 갈린스탄, EGaIn, 필드의 금속입니다. 갈린스탄은 갈륨, 인듐, 주석으로 구성된 합금입니다. EGaIn은 인듐과 갈륨, 주석으로 만든 액체와 유체의 성질을 가진 금속 합금입니다. EGaIn은 갈륨과 인듐의 혼합물입니다. 필드 금속 시트 제작 에는 비스무트, 인듐, 주석이 함유되어 있습니다. 이러한 합금은 모두 섭씨 30도 이하에서 녹기 때문에 조금만 가열하거나 냉각하면 고체와 액체로 쉽게 변할 수 있습니다.

액체 금속의 놀라운 점 중 하나는 물처럼 흐르지만 일반 금속처럼 전기를 잘 전도한다는 것입니다. 따라서 유연성과 전기 전도성이 필요한 애플리케이션에 유용합니다. 이상한 모양을 쉽게 채울 수 있고 접촉하는 표면에 따라 달라집니다.

액체 금속 재료는 여러 원소의 혼합물이기 때문에 순수한 금속만 사용하는 것보다 녹는점이 낮습니다. 갈린스탄은 섭씨 -19도, EGaIn은 약 15도, 필드의 금속은 약 62도에서 녹습니다. 실온에 가까워지면 액체 상태로 유지되지만 소량을 냉각하면 잠시 고체화될 수 있습니다.

고체에서 액체로 상이 가역적으로 바뀔 수 있는 능력은 새로운 가능성을 열어줍니다. 갈륨 합금으로 만든 디바이스는 금속이 다시 합쳐질 수 있기 때문에 구조가 파괴되더라도 자가 치유가 가능합니다. 또한 액체 금속은 부드러워서 전원 회로가 사람과 상호작용해야 하는 경우 단단한 재료보다 더 안전합니다.

전반적으로 상온 액체 금속은 기존 제품에서는 찾아볼 수 없는 다양한 특성을 제공합니다. 솔리드 메탈 제작 또는 기타 재료. 전기 전도성 덕분에 전자 및 에너지 애플리케이션에 통합할 수 있으며, 유동성이 뛰어나 유연성을 제공합니다. 많은 연구자들이 센서, 생체 의료 기기, 자가 조립 구조물 등에 갈륨 합금을 사용하는 방법을 모색하고 있습니다. 이 놀라운 다기능 소재가 기술을 어떻게 변화시킬지는 시간이 지나야 알 수 있을 것입니다.

저융점 액체 금속의 응용 분야

액체 금속은 끊어지지 않고 구부러지고 접히는 전선 역할을 할 수 있기 때문에 유연한 전자제품에 매우 유용합니다. 연구자들은 늘어나거나 비틀어도 기능을 유지하는 액체 금속 소재 트랜지스터와 집적 회로를 만들었습니다. 갈륨 합금으로 만든 디스플레이는 화면을 찌그러뜨리거나 접을 때 픽셀 패턴을 재구성할 수 있습니다.

또 다른 응용 분야에서는 액체 금속이 스스로 치유하는 능력을 이용합니다. 갈륨 합금의 작은 방울로 만든 회로는 전도성 경로의 끊어진 부분을 자동으로 복구할 수 있습니다. 마모나 손상으로 인해 링크가 끊어지면 액체 금속이 다시 통합되어 연결을 복원할 수 있습니다. 이를 통해 파손 방지 인터커넥트를 갖춘 전자 장치를 자가 수리할 수 있습니다.

소프트 로봇 공학은 다음과 같은 이점을 제공하는 또 다른 분야입니다. 비용 효율적인 금속 재료 기술. 엘라스토머에 주입된 갈륨 합금은 자기장이나 전기장에 노출되었을 때 모양을 조절할 수 있는 로봇을 만들 수 있습니다. 복잡한 모듈식 구조는 외부 제어에 따라 액체 금속 부품으로 자체 조립할 수도 있습니다.

일부 혁신적인 프로젝트는 액체 금속 부력을 사용하기도 합니다. 갈륨 합금에 마이크로버블을 주입하면 물보다 밀도가 낮아집니다. 이를 통해 떠다니는 로봇, 재구성 가능한 뗏목, 몸 전체에 무게를 분산하는 외골격을 설계할 수 있습니다. 가벼운 보조 장치나 수상 차량은 인간의 능력을 확장하는 데 도움이 될 수 있습니다.

유연한 기기부터 자가 치유 회로와 변형 가능한 로봇에 이르기까지 갈륨 합금 합성 및 조작의 발전으로 새로운 응용 분야가 생겨나고 있습니다. 전도성, 유동성, 외부 형상을 원활하게 통합하는 액체 금속 소재의 능력은 의료, 인프라 등 다양한 분야에 걸쳐 새로운 가능성을 열어줍니다. 앞으로 더 많은 개발이 이루어지면 더 많은 혁신적인 용도로 활용될 수 있을 것입니다.

액체 금속 상 전이를 통한 구조 재구성 가능

액체 금속 필름의 2D 모핑

연구원들은 전기적으로 프로그래밍된 표면 장력 효과를 사용하여 액체 금속 재료를 사용자가 정의한 2D 모양으로 동적으로 변형하는 기술을 개발했습니다. 전압 차이를 적용하여 금속 제작 기술 필름을 엘라스토머 기판에 주입하면 지정된 패턴 영역에서 표면 에너지 지형을 선택적으로 낮출 수 있습니다. 이를 통해 상온에서 액체 금속의 형상과 위치를 온디맨드 방식으로 재배치하고 동적으로 프로그래밍할 수 있습니다.

자기 작동식 액체 금속 메타물질

또 다른 접근 방식은 자기로 작동하는 액체 금속 재료 메타물질을 활용합니다. 갈륨 합금의 작은 방울 또는 마이크로 채널을 탄성 복합 구조에 통합하여 자기장을 가하면 전체적인 모양을 변형하고 재구성할 수 있습니다. 자기장에 의한 응력은 기판 내의 액체 템플릿을 변형시켜 외부 형상과 내부 연결성을 모두 변경합니다. 밀도, 기공 구조 및 포함 패턴과 같은 특성은 모두 액체 금속의 고액상 거동에 대한 자기 프로그래밍을 통해 조정할 수 있습니다.

재구성 가능 3D 인쇄 액체 금속 격자 재료는 이러한 기술을 결합합니다. 하이브리드 제조 방식을 통해 프레임 형상과 단위 셀 구성을 동적으로 제어할 수 있는 갈륨 충전 트러스 구조가 만들어집니다. 가역적 응고는 배치 가능하고 자가 복구가 가능한 기능을 제공하며, 전도성은 생체 의료 센서와 소프트 로봇부터 배치 가능한 전자 장치와 재구성 가능한 전자기 렌즈 또는 차폐막에 이르기까지 다양한 애플리케이션을 가능하게 합니다.

유연한 전자 제품을 위한 상온 액체 금속

액체 금속 합금 및 회로

핵심 개발은 갈륨과 인듐의 저융점 공융 합금인 EGaIn을 활용했습니다. 카네기멜론의 연구원들은 이 금속을 재프로그래밍 가능한 픽셀로 작동할 수 있는 미세한 방울로 합성했습니다. 작은 전압을 가하면 액체 커넥터는 고체 트랜지스터와 유사하게 회로 경로를 결합하거나 분리할 수 있었습니다. 이를 통해 유체 재분배를 통해 연결성을 복원할 수 있는 자가 수리 회로의 새로운 패러다임이 도입되었습니다.

액체 금속 트랜지스터 및 디스플레이

이론적으로 액체 금속 소재의 가단성과 전도성은 차세대 플렉서블 전자기기 개발에 매우 적합합니다. 현재 연구 중인 주목할 만한 응용 분야로는 액체 금속 픽셀을 사용하는 재기록 가능 및 폴더블 디스플레이가 있습니다. 이러한 동적 디스플레이 합금 시트는 회로를 손상시키지 않고 접고, 비틀고, 모양을 바꿀 수 있습니다. 이 기술은 인체와 같이 딱딱하지 않은 표면에 맞는 전자 스킨에 사용될 수 있습니다.

신축성 회로를 위한 컨포멀 코팅

액체 금속 재료 회로를 구현하려면 탄성 기판 위에 얇고 균일한 코팅을 세심하게 증착하는 것이 중요합니다. 스핀 코팅 및 진공 주조와 같은 기술은 갈륨 합금을 단 몇 마이크로미터 두께의 필름에 적용 가능한 것으로 나타났습니다. 기존의 신축성 회로 설계와 결합하여 이러한 규정을 준수하는 액체 코팅을 사용하면 물리적 변형이나 뒤틀림에도 높은 기능을 유지하는 웨어러블 전자기기와 생체 통합 장치를 만들 수 있습니다. 의료용 임베디드 센서부터 컨포멀 스마트 패브릭에 이르기까지 다양한 분야에 적용할 수 있습니다.

액체 금속 상 변화를 통한 자가 치유

액체 금속 격자에서 회수 가능한 에너지 흡수

연구자들은 3D 금속 프린팅 액체 금속 재료 정맥의 내부 비계가 있는 엘라스토머 기반 격자입니다. 이러한 소재에 기계적 하중을 가하면 액체 성분이 탄성 폴리머 프레임워크 내에서 소성 변형이 일어납니다. 하중이 해제되면 액체가 응고되고 이후 재가열되면 형상 기억 효과를 통해 원래의 격자 구성이 자체 복원됩니다. 이를 통해 구조물은 큰 충격이나 변형을 반복적으로 흡수하고 복구할 수 있습니다.

온도 제어를 통한 조정 가능한 강성

또 다른 자가 치유 전략은 주변 온도를 조절하여 액체 금속 재료의 고체-액체 전환을 유도하는 것입니다. 갈륨 합금 비율을 포함하는 복합 재료는 자연적으로 경화됩니다. 고형화 냉각하면 단단해지고 녹는점을 지나 재가열하면 다시 부드러워집니다. 사전 연구를 통해 다양한 환경 조건에 따라 "필요에 따라" 유효 강성을 선택적으로 조절할 수 있는 소재가 입증되었습니다.

동적 현장 프로그래밍 가능 연결성

보다 적극적인 접근 방식은 외부 자극을 가해 액체 금속 재료의 재분배를 유도하는 것입니다. 예를 들어, 전기 경로를 포함하는 복합 재료는 전류가 통과할 때 절단이나 틈새를 치유할 수 있습니다. 마찬가지로 구조적 손상은 국부적인 전자기장을 통해 액체 금속 정맥의 재성장을 유발할 수 있습니다. 이를 통해 기존 연결 네트워크를 자가 복구할 뿐만 아니라 완전히 새로운 구성과 토폴로지를 다시 프로그래밍할 수도 있습니다.

결론

결론적으로 갈륨 기반 액체 금속 소재 합금은 첨단 소재의 새로운 가능성을 열어주는 특별한 특성을 보여줍니다. 상온에서 가역적인 고체-액체 상 변화를 겪을 수 있기 때문에 기존의 경질 금속과 달리 다양한 기능을 발휘할 수 있습니다. 액체 금속의 유동성은 액체의 재분배 또는 응고를 통해 구조적 리모델링과 자가 치유를 가능하게 합니다. 또한 전기 전도성 덕분에 플렉서블 전자기기, 소프트 로봇공학, 재구성 가능한 전자기 장치에 응용할 수 있습니다. 지속적인 연구를 통해 이러한 놀라운 소재를 제작하고, 기능화하고, 동작을 제어할 수 있는 새로운 방법이 계속 개발되고 있습니다. 액체 금속은 더 발전하면 생체 의학 임플란트, 맞춤형 기계 및 배치형 기술과 같은 분야에 혁명을 일으킬 수 있는 큰 가능성을 보여줍니다.

자주 묻는 질문

Q: 상온에서 액체가 되는 갈륨 합금의 특별한 점은 무엇인가요?

A: 순수한 갈륨은 실온 바로 위에서 녹습니다. 인듐이나 주석과 같은 다른 금속과 합금하면 녹는점이 더 낮아지며, 경우에 따라 0°C 이하로 떨어집니다. 이러한 갈륨 혼합물은 특정 조성을 통해 일반적인 실내/외 조건에서 액체 상태를 유지할 수 있습니다.

Q: 액체 금속 소재는 어떻게 성형하나요?

A: 압력이나 열을 가하거나 용융 방법을 통해 형태를 만들 수 있는 기존 재료와 마찬가지로 액체 금속 재료도 3D 프린팅, 사출 성형 또는 스핀/침지 코팅에 사용되는 무정형 기술을 통해 형성할 수 있습니다. 또한 자기장, 전류 또는 온도 변화의 적용으로 재료가 응고-액화-고형화 주기를 거치게 하는 등의 요인을 활용하여 소결 후 모양을 제어할 수도 있습니다.

Q: 액체 금속 기술의 몇 가지 가능한 응용 분야는 다음과 같습니다:

A: 이 분야에서 활발히 연구되고 있는 분야로는 신축성 및 웨어러블 전자기기, 치유 가능한 회로 및 전자기기, 소프트 로봇공학, 튜너블 구조물, 모핑 인터페이스 등이 있습니다. 유체처럼 움직이면서도 전기를 전도할 수 있는 유연성의 특성은 웨어러블, 생체 의학 임플란트, 배치 가능한 구조물과 같은 분야에서 새로운 기회를 제공합니다.