정책브리핑 // 전자소자 제작이 가능한 고정밀 3D프린팅 및 3D전자잉크 기술 개발 // 미래부 전기연구원 설승권 책임연구원

[수봉]

전자소자 제작이 가능한 고정밀 3D프린팅 및 3D전자잉크 기술 개발

• 일시 및 장소 : 2017-06-12 11:20, 미래부
• 발    표    자 :   전기연구원 설승권 책임연구원
• 엠    바    고 :   17.6.13(화)조간 / 6.12. 12시 이후

<설승권 전기연구원 책임연구원>
   안녕하십니까? 방금 소개받은 한국전기연구원의 설승권입니다. 

   저는 ‘3D 나노 전자잉크 및 잉크기반 고정밀 3D 프린팅 기술 개발’ 내용을 가지고 간단하게 말씀드리도록 하겠습니다. 

   여러분들께서 다 아시는 것처럼 3D 프린팅 기술은 디지털 디자인 데이터를 기반으로 소재를 튼튼히 쌓아서 입체 형태의 제품을 제작하는 기술입니다. 

   그래서 *** manufacturing이라고도 불리는데요. 이러한 기술적 특징 때문에 맞춤형의 다품종 소량 생산 가능한 제품 제작과 혹은 비교적 다른 공정과 비교해서 복잡한 구조물의 제작을 손쉽게 할 수 있다는 장점을 가지고 있어서 다양한 분야에 활용되고 있습니다. 

   활용 분야는 실로 광범위한데요. 간단하게 피규어의 제작부터 의료, 바이오, 건축, 항공우주산업 등에 폭넓게 활용되어지고 있습니다. 

   그런데 저희가 관심을 가지고 있는 분야는 그중에서도 3D 프린팅 기술을 이용해서 전자소자를 제작하는 분야입니다. 3D 프린팅과 전자소자 기술이 융합된 그 기술 분야가 3D 프린팅 일렉트로닉스, 3D 인쇄전자 기술 분야라고 합니다. 

   그럼 이거 제가 간단한 이해를 돕고자 설명드리려고 자료를 준비해 왔는데, 아이언맨을 3D 프린터로 만든다고 생각하시면요. 일반적으로 지금 저희가 익히 알고 계시는 3D 프린팅 기술은 아이언맨의 body를 만드는 기술입니다. 

   그게 금속이든 플라스틱이든 뭐든, 3D 프린팅 일렉트로닉스 기술은 전자소자, 전자부품을 3D 프린팅으로 만들어서 궁극적으로는 ‘완벽한 아이언맨을 3D 프린터로 만들자.’라는 게 기본적인 콘셉트라고 말씀드릴 수 있겠습니다. 

   그래서 일단 그러기 위해서는 전자 재료를 이용해야 되겠죠. 이용해서 어떤 부품들을 만들고요. 그걸 통합해서 3D 전자소자를 만든다는 것이고. 

   이러한 기술은 현재 4차 산업혁명의 시대를 맞이해서 사물인터넷, 웨어러블 디바이스 그다음에 스마트 팩토리 등 이러한 기술 분야에 접목됐을 때 상당히 시너지 효과가 있을 것이라고 보여지고 있습니다. 

   그래서 전 세계적으로 아직은 시작 단계지만 상당히 관심을 가지고 연구자들이 연구하고 있는 분야라고 말씀드릴 수 있겠고요. 

   그래서 국내 현황에 대해서 간단하게 말씀을 드리면, 국내에서는 2014년 미래창조과학부와 산업통상자원부가 만든 3D 프린팅 전략기술 로드맵에서 이 3D 전자부품이라는 분야를 넣었습니다. 

   그래서 이것은 3D 프린팅 기술의 ‘10대 핵심 활용 분야’로 선정이 됐고요. ‘2025년까지 세계 3대 강국으로 자리매김하겠다.’는 것을 목표로 지금 지원을 하고 있고 연구자들이 연구를 수행하고 있습니다. 

   그리고 이제 세계적으로도 많은 팀들이 연구를 하고 있는데요. 2016년 사이언스지에서 리뷰 페이퍼가 하나 나왔는데 이게 앞면인데요.

   이거를 정리해 보면 이렇습니다. 3D 프린팅 기술로 전자소자를 만들게 될 건데, 앞으로 그렇게 될 건데 그것에 필요한 소재 기술, 프린팅 기술, 새로운 기술을 개발해야 한다, 그리고 이 페이퍼에서는 현재까지 소개된 관련 기술들을 이제 쭉 나열을 하였습니다. 

   저희가 이러한 3D 프린팅 일렉트로닉스를 구현하기 위해서 저희만의 독창적인 기술을 개발했습니다. 

   일단 잉크를 사용하는 것이고요. 그다음에 두 번째는 잉크를 사용하니까 마치 펜으로 글을 쓰듯이 구조물을 3D 구조물을 프린팅 합니다. 

   일반적인 3D 프린팅을 생각하시면 뭔가 외부에서 에너지를 가해줘야 합니다. 레이저를 싸주든 열을 가하든 무언가 해 줘야 되는데 저희는 마치 펜으로 글을 쓰듯이 잉크를 넣어주고 쭉 그리면 3차원 구조물을 만들 수 있는 기술입니다. 

   그리고 이제 저희가 잉크를 사용한다고 말씀드렸었는데요. 잉크를 사용하게 되면 장점이 있습니다. 

   첫 번째는 잉크는 어떤 형상을 가지고 있는 솔루션 같은, 솔루션이기 때문에 프린팅 할 수 있는 구조물의 해상도를 줄일 수가 있습니다. 그러니까 나노 사이즈로 갈 수가 있고요. 

   두 번째는 우리는 이미 인쇄전자라는 기술 분야를 가지고 있습니다. 그래서 전 세계에서 많은 연구자들이 인쇄전자 분야에 활용될 수 있는 잉크를 개발해 놓은 상태입니다. 그런데 그것들을 이용해서는 3차원 구조물을 만들 수 없다는 게 문제였는데요.

   저희 기술 그리고 저희가 만든 잉크기술, 잉크화기술을 이용하면 기존에 있는 인쇄전자용 잉크를 가지고도 3차원 구조물을 만들 수 있는 획기적인 기술이라고 말씀드릴 수 있겠습니다. 

   그래서 이거는 기자 분들께 좀 이해를 돕기 위해서 제가 간단히 가져온 그림인데요. 오른쪽에 보시면 요즘에 3D 프린팅 기술이 너무 인기가 많다 보니까 흉내 내는 재미있는 영상들도 있습니다. 

   ‘3B 프린팅’이라고 합니다. 이건 어떻게 하는 거냐 하면, 어떤 특정한 모양이 있는 탬플릿, 플라스틱 탬플릿을 만들고요. 거기에 벌 8만 마리를, 꿀벌 8만 마리를 집어넣고 이제 그 꿀벌들이 벌집을 지을 때까지, 만들 때까지 기다렸습니다. 그리고 플라스틱 탬플릿을 제거하면 이렇게 특정 형상을 가진 벌집의 3D구조물이 만들어집니다. 그래서 이것을 3B 프린팅이라고 하는데. 

   저희가 이것을 왜 가져왔느냐면, 저희 기술에서 플라스틱 탬플릿의 역할을 하는 것이 바로 잉크의 meniscus입니다. 잉크의 meniscus가 공정 중에 그런 역할, 거푸집의 역할을 하게 되는 것이고요. 

   그래서 이 잉크를 사용하니까 마이크로, 노즐과 기판 사이에 잉크의 meniscus, 표면 장력에 의해서 meniscus가 형성되면 그 사이로 이온이든지 nanoparticle이라든지 molecule이라든지 이런 것들이 이동할 수 있게 되고요. 프린팅이 되는 중간 중간에 이러한 meniscus는 사라집니다. 그리고 3차원 구조물만 만들어지게 되는 것입니다. 그런 원리이고요. 

   그래서 저희가 두 가지 잉크를 이번에 개발했고 기술이전을 했습니다. 프린팅 기술과 잉크 기술을 기술이전을 했는데요. 

   이것 같은 경우에는 이것은 세계 최초의 결과입니다. 탄소나노튜브를 가지고, 미세한 산소나노튜브 잉크를 가지고 미세한 3차원 구조물을 프린팅 한 결과이고요. 여기에서 보시면 이 잉크의 점도라는 것이 실제로 100mPa.s, 이 수준이 어느 정도냐 하면 물이 1입니다. 저희는 100 under의 아주 저점도의 잉크를 가지고 3차원 구조물을 만들 수 있다는 것이고, 그 100 under의 저점도 잉크라는 수준이 일반적인 잉크젯 프린터에 사용하는 잉크들의 수준이라고 생각하시면 되겠습니다. 

   즉 일반적인, 아까도 말씀드렸지만 일반적인 점도의, 저점도의 잉크젯 잉크를 가지고도 3D 프린팅이 가능하다는 것을 말씀드릴 수 있고요. 

   그래서 이게 실제로 프린팅 되는 영상입니다. 이렇게 레이어 바이 레이어 프린팅도 되고 와이어링도 되고, 이게 10㎛니까요. 상당히 작은 미세한 패턴도, 물론 전기가 통하는 미세한 패턴도 자유자재로 재생할 수 있다는 것입니다. 

   그래서 이제 뭐 이런 여러 가지 array 구조라든지 3D 구조 다양한 패턴들을 만들 수 있고요. 이게 상당히 재미있는 것인데, 이게 지금 콘택트렌즈입니다. 그러니까 콘택트렌즈 위에도 이러한 3D 패턴을 만들 수 있습니다. 이것이 의미하는 것은 저희가 연구하고 있는데, 결국에 요즘에 스마트 콘택트렌즈라든지 스마트 글래스 많이 인기가 있지 않습니까? 그런 것들을 제작함에 있어서도 충분히 활용이 가능하다, 라고 말씀드릴 수 있겠습니다. 

   그리고 이것은 똑같은, 같은 잉크를 가지고 만든 건데요. 이것은 inductor라는 수동 소자가 있습니다. 그런데 일반적으로 이런 형태를 갖게 되는데 micro inductor인데, 이런 것을 만들려면 반도체 공정을 사용해야 합니다. 반도체 공정을 사용하게 되면, 깔고, 마스크를 깔고 뚫고 그다음에 쌓고 없애고 등등 상당히 다중공정이 필요하게 되는데요. 저희는 프린팅이 가능하니까 이것을 디자인을 바꿔서 이런 식으로 마지막에 딱 브릿지를 연결해서 똑같은 기능을 하는 소자를 제안을 했습니다. 

   그래서 이것은 전자공학하시는 분들이 볼 때는 기존에 아이디어는 있었지만 특히 웨어러블 디바이스에 활용하려면 이런 패턴이 필요한데, 아이디어는 있었지만 공정이 없어서 제작할 수 없었던 것을 제작이 가능하게 된 것 같다, 라고 말씀하시고요. 같이 관심 있는 분들과 현재 공동연구를 진행하고 있습니다. 

   그리고 저희가 또 전자소자를 만들려면 구리나 은, 전기가 아주 잘 통하는 잉크도 또 연구해야 되고 개발해야 합니다. 그래서 이 은 잉크를 만들었고요. 이 잉크의 경우에는 점도가 더 낮습니다. 그래서 물이 아까 1이라고 말씀하셨는데 단위는 제가 생략하고, 이것 같은 경우에는 5입니다. 물입니다, 거의. 물을 가지고 이런 피라미드 구조라든지 어떤 이런 브릿지 구조라든지 이런 것을 만들 수 있고요. 그런데 이것이 갖는 전도도는 벌크 한 실버와 거의 차이가 없는, 한 5도 정도 낮은데 그런 경우에는 일반적인 잉크젯 프린팅 잉크를 사용했을 경우에도 그런 정도 나타나기 때문에 전자소자를 만드는데 활용하는 데는 전혀 문제가 없다, 라고 말씀드릴 수 있겠습니다. 

   그리고 앞에도 보신 것처럼 다양한 패턴을 3D 구조를 만들 수 있고요. 재미있는 것은 이것인데요. 500㎛짜리니까 1mm보다 작은 LED 위에 이 두 전극을 마이크로 브릿지를 연결한 것입니다. 나노... 마이크로 전선이 되는 거죠. 이게 실버 전선인데 그걸 가지고도 LED를 자유자재로 작동시킬 수 있다, 이런 것은 웨어러블 디바이스에 활용하게 되면 상당히 응용가능성이 높은 기술이라고 말씀드릴 수 있겠습니다. 

   그래서 마지막으로 기대 및 파급효과인데요. 저희가 개발한 3D 전자잉크 및 잉크기반 고정밀 3D 프린팅 기술은 일단 기존의 프린팅 일렉트로닉스, 그다음에 요즘에 많은 관심을 갖고 계신 웨어러블 디바이스, 더 나아가서는 스마트 팩토리, 공정기술 개발에도 활용될 수 있을 것이라고 생각이 되고요. 

   좀 더 정리해서 말씀드리면, 크게는 전기전자 소자를 제작할 수 있는 산업용 스마트 3D 팩토리 쪽에 활용될 수 있을 것 같고요. 작게는 간단한 전자기기의 경우에는 가정에서 개인이 손쉽게 제작할 수 있는 가능성을 열 수 있지 않을까, 그렇게 생각합니다. 

   감사합니다. 

<끝>