3D 나노 전자잉크 및 잉크 기반 고정밀 3D 프린팅 기술 개발로 ‘전자소자를 인쇄할 수 있는 3D 프린터’ 상용화 추진
설승권 연구자
미래창조과학부 국가과학기술연구회 산하 전기전문연구기관 한국전기연구원(KERI · 원장 박경엽)의 설승권 책임연구원팀(나노융합기술연구센터)은 최근 탄소나노튜브(CNT) 및 은(Ag) 나노입자를 이용한 ‘3D 프린팅용 나노 전자잉크’와 ‘잉크 기반 고정밀 3D 프린팅 기술’을 개발하는데 성공했다고 밝혔다.
이 기술을 이용하면 전기가 통하는 수백 나노미터(nm, 1 nm=10억분의 1m) 크기의 스마트 기기용 전자회로를 인쇄할 수 있다.
이 기술은 그동안 연구진이 독자적으로 개발해 온 메니스커스(Meniscus) 기반의 3D 프린팅 기술(Advanced Materials/Small, 2015)을 더욱 발전시킨 세계 최고 수준의 기술이다.
향후 전자소자 제작에 핵심적으로 활용될 것으로 기대돼 해외 에서도 큰 관심을 얻고 있다.
연구진은 지난 8일 해당 기술을 관련 전문기업인 ㈜대건테크(대표 신기수)에 기술이전했다. 전폭적인 기술지원을 통해 ‘전자소자를 인쇄할 수 있는 3D 프린터’의 상용화를 뒷받침할 예정이다.
최근 전기‧전자 산업에서는 전기‧전자회로들을 유연한 기판 위에 더 작고, 더 집적화하는 방향으로 기술 개발을 진행하고 있다.
그러나 2D 기반의 고집적화는 이미 물리적‧기술적 한계에 접어들었으며, 집적도를 더욱 높이려면 3D 형상의 전기‧전자회로 및 소자의 제작이 필요한 실정이다.
4차 산업혁명 시대를 맞아 전자소자 제조 공정에도 3D 인쇄전자(3D printed electronics) 기술을 적용하려는 움직임이 전 세계적으로 확산되는 상황도 전자소자 제조 패러다임의 급격한 변화를 불러오고 있다.
이러한 3D 프린팅 기술의 실현을 위해서는 반드시 필요한 것은 프린팅 기술에 맞는 3D 프린팅용 잉크를 제조할 수 있는 잉크화 기술이다.
현재 다양한 나노 소재의 전자잉크가 인쇄전자 산업에 적용되어 스마트폰, 디지털 카메라, DVD, LCD 등 디지털 가전은 물론 전자종이, 유연 물리화학센서 등과 같이 차세대 유연 전자소자를 제작하는데 폭넓게 활용되고 있지만, 2D 기반이라는 한계가 있다.
연구진은 우선 탄소나노튜브와 은 나노입자를 이용해 3D 프린팅용 나노 전자잉크 기술을 개발했다. 이 기술을 이용하면 기존 2차원 인쇄전자기술에 사용되는 전자잉크들과 유사하게 낮은 점도(<100 mPa‧s)를 가지면서도 우수한 전기적 특성을 갖는 3차원 구조물을 제작할 수 있다.
설승권 책임연구원은 “이는 기존 인쇄전자용 잉크도 간단한 조작으로 3D 프린팅에 활용될 수 있다는 것을 의미하며, 개발된 3D 프린팅 기술에 적용될 수 있는 3D 프린팅용 잉크 소재를 다양화할 경우, 인쇄전자의 다양한 분야에 실용화할 수 있는 가능성을 보여준다”고 설명했다.
연구진은 이어 다양한 형상의 기능성 3차원 인쇄를 할 수 있는 잉크 기반 3D 프린팅 기술을 개발했다.
잉크의 토출을 위해 잉크 방울을 형성하거나 또는 압력을 가해야 하는 기존의 프린팅 방식과 달리, 잉크의 표면 장력을 이용해 펜으로 글씨를 쓰는 것과 같은 새로운 방법(Fountain-Pen 3D Printing)으로 프린팅하는 기술이다.
이 기술은 다중 노즐을 적용해 생산성 향상과 함께 제작된 패턴의 해상도를 한층 높일 수 있다는 장점이 있다.
개발된 나노 전자잉크와 잉크 기반 3D 프린팅 기술은 기존의 거시적인 구조물을 제작하는 것에 그쳤던 3D 프린팅 기술의 한계를 넘어, 다양한 소재로 마이크로, 나노미터 수준의 기능성 3차원 미세구조물을 제작할 수 있다.
연구진은 전자소자의 미세 3D 모듈(센싱 변환기, 에미터, 안테나, 인덕터 등) 제작에 개발된 3D 프린팅용 나노 전자잉크와 3D 프린팅 기술을 성공적으로 적용해 다양한 형상의 3차원 구조물 제작이 가능함을 증명했다.
이번 기술 개발로 3차원 패터닝을 위해 마땅한 기술이 없었던 인쇄전자 분야에 새로운 패러다임을 제공할 것으로 예상된다.
또한, 우리 정부(미래부-산업부)에서 국가차원의 중․장기적 3D프린팅 기술 확보 전략 마련을 위해 수립한 3D 프린팅 전략기술 로드맵에서 설정한 2025년 3D 프린팅 전자부품 분야 글로벌 시장 선도기반 마련으로 세계 3위권 3D 전자부품 제조기업 확보라는 목표 실현을 위해 확실하게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
한편, 해당 연구결과들은 성과의 우수성을 인정받아 나노 및 에너지소재 분야 세계적인 과학저널인 ‘ACS 나노(ACS Nano)’, ‘ACS 어플라이드 머티리얼즈 앤 인터페이스(ACS Applied Materials & Interfaces)’등에 게재됐다.
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