a b 이크로미터급 3) 크기로 프린팅하는 기술이다. 전 세계 적으로 처음 이뤄진 성과다. c e 20 m 20 m d 10 m 10 m 현재 3D 프린팅 관련 기술이 나날이 발전하고 있지 만, 사용 가능한 재료는 대부분 복합화합물인 폴리머 소재로 국한된다. 이 때문에

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담 순
8 years ago
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1 기 술 정 보 3D 프린터로 스마트기기 전자소자도 출력 전기도금법 이용한 금속 3D 프린팅 기술 최초 개발 - 세계적 국제저널 스몰지 표지논문 선정, 학계 주목 - UKC 2015 IP 경진대회 금상 수상 인쇄전자, IT, 의료 및 센서 산업 등 활용 전망 한국전기연구원 생활에 필요한 센서 같은 전자소자나 간단한 전자제 품 등을 그래핀, 금속 등 다양한 복합소재를 이용해 3D 프린터로 간편하게 인쇄할 수 있는 날이 앞당겨질 것으 로 전망된다. 미래창조과학부 국가과학기술연구회 산하 전기전문 연구기관 한국전기연구원(KERI 원장 박경엽)은 흔히 반 지와 같은 장신구를 만들 때 사용되던 전기도금법의 원 리를 이용해 3D 프린팅 분야의 향후 핵심소재인 금속 을 손쉽게 프린팅할 수 있는 금속 3D 프린팅 기술을 세계 최초로 개발했다. 금속소재를 녹여 프린팅하던 방 식에 의존하던 금속 3D 프린팅 분야에 새로운 패러다 임을 제시한 것으로 평가된다. 이번 연구결과는 세계적인 재료 분야 학술지인 스몰 지(Small)의 온라인판에 이어 8월 26일자 표지논문 (Back cover)으로도 게재 1) 됐다. 관련 특허는 지난 7월 30일 미국 애틀란타에서 개최된 2015 한미 한인과학기 술산업 학술대회(UKC 2015)의 IP 경진대회에서 금상 2) 을 수상하는 등 국내외 연구자들의 눈길을 끌고 있다. 8월 26일자 스몰지 표지논문(Back Cover) 게재된 3D 프린팅 기술 1) 논문명 : Electrodeposition-based 3D Printing of Metallic Microarchitectures with Controlled Internal Structures 2) UKC 2015 : 한국과 미국의 기술협력 촉진을 위한 과학기술학술대회로 올해는 7월 29일에서 8월 1일까지 미국 애틀란타 하얏트 리전시 호텔에서 개최됐다. 136 계장기술

미래창조과학부 국가과학기술연구회 산하 전기전문 연구기관 한국전기연구원(KERI 원장 박경엽)은 흔히 반 지와 같은 장신구를 만들 때 사용되던 전기도금법의 원 리를 이용해 3D 프린팅 분야의 향후 핵심소재인 금속 을 손쉽게 프린팅할 수 있는 금속 3D 프린팅 기술을 세계 최초로 개발했다.

2 a b 이크로미터급 3) 크기로 프린팅하는 기술이다. 전 세계 적으로 처음 이뤄진 성과다. c e 20 m 20 m d 10 m 10 m 현재 3D 프린팅 관련 기술이 나날이 발전하고 있지 만, 사용 가능한 재료는 대부분 복합화합물인 폴리머 소재로 국한된다. 이 때문에 전자부품이나 설비 등 산 업 현장에서 폭넓게 사용되지 못하고 있다. 프린팅할 수 있는 재료의 한계를 뛰어넘어야 3D 프린팅 적용 분 야를 더욱 확대해 나갈 수 있다. 이 때문에 현재 국내외 에서 금속을 이용한 3D 프린팅 기술 연구 개발이 활발 히 이뤄지고 있다. 10 m 제작된 3차원 구리 구조체 사진(주사전자현미경) 현재 상용화된 3D 프린팅 기술은, 일부 중대형의 제 품이나 기기를 출력할 수 있다. 하지만 이런 제품을 구 동하게 하는 핵심 소자나 회로 등 금속성 주요 부품을 제작할 수는 없기에 완전 출력 제품(All Printed Device or Sensor)을 만드는 것에는 한계가 있다. 또한 현재의 금속 3D 프린팅 기술로는 초소형의 정밀한 제품을 프 린팅하기 어렵다. 마이크로미터급( m, 1 m = 백만분의 1m)의 미세 구조체를 프린팅할 수 있는 금속 3D 프린 터도 개발되지 않았다. KERI 설승권 박사팀(나노융합기술연구센터)이 개발 한 기술은 전기도금법을 기반으로 다양한 모양의 3차 원(3D) 금속 구조체를 머리카락보다 훨씬 가는, 수 마 현재까지 개발된 대부분의 금속 3D 프린팅 기술은, 레이저나 전자빔 등 고에너지 열원을 이용해 금속으로 녹여 굳히는 소결( 燒結 ) 4) 방식이다. 따라서, 주요 연구 가 금속소재의 분말화와 열원의 정밀도에 집중되고 있 다. 그러나 소결 방식은 제작의 특성상 소재 가격, 가공 방법, 소결온도에 영향을 받게 되고, 고에너지 열원 사 용에 따른 폭발 위험도 있어 일부 고부가가치 산업에만 적용된다. 이로 인해 관련 기술의 확산이 더딘 실정이 다. 낮은 온도에서, 저렴하고, 간단한 공정으로, 3차원 금속 구조체를 제작할 수 있는 금속 3D 프린팅 기술 개 발이 중요한 이유다. KERI 설승권 박사는 이번 기술개발은 전기도금법이 라는 우리에게 친숙하면서, 저렴하고, 간단한 방법을 3D 프린팅에 적용해 다양한 형상의 3차원 금속 구조체를 제 작한 세계 최초의 성과 라고 강조하고 개발한 마이크로 3) 머리카락의 크기 : 통상 m 4) 소결(sintering, 燒結 ) : 고체의 가루를 틀 속에 넣고 프레스로 적당히 눌러 단단하게 만든 다음 그 물질의 녹는점에 가까운 온도로 가열했을 때, 가루가 서로 접한 면에서 접합이 이루어지거나 일부가 증착( 蒸着 ) 하여 서로 연결되어 한 덩어리로 되는 원리

하지만 이런 제품을 구 동하게 하는 핵심 소자나 회로 등 금속성 주요 부품을 제작할 수는 없기에 완전 출력 제품(All Printed Device or Sensor)을 만드는 것에는 한계가 있다. 또한 현재의 금속 3D 프린팅 기술로는 초소형의 정밀한 제품을 프 린팅하기 어렵다.

3 미터의 해상도를 갖는 금속 3D 프린팅 기술은 산업 현장 에서 적용되는 인쇄된 3D 전기전자부품이나 설비 등의 제작에 폭넓게 사용될 수 있다 고 밝혔다. 또 이를 통해 사물에 디지털 기능을 인쇄함으로써 사물인터넷(IoT), 바이오센서 산업의 활성화 및 금속 3D 프린팅 기술 분야 발전에 기여할 수 있을 것 이라고 전망했다. 연구진은 특히 미래형 웨어러블 스마트기기를 생산 하는데 적합한 인쇄전자(Printed Electronics) 분야에 금속 3D 프린팅 기술을 접목함으로써 3D 전기전자부 품 제조를 통한 관련 산업 발전에 크게 기여할 것으로 기대하고 있다. 최근 정부가 발표한 3D 프린팅 전략기 술 로드맵에 따르면 2025년까지 전자/전기적 기능 부 여가 가능한 복합소재 및 복합공정 3D 프린팅 기술 개 발로 디지털 제조 신기술 우위를 확보해 관련 산업 분 야 세계 3위권의 3D 전자부품 제조기업을 확보한다는 계획이다. 인쇄전자 기술은 다양한 기능성 잉크 소재를 직접 인쇄공정을 이용하여 스마트폰, 디지털 카메라, DVD, LCD 등 디지털 가전기기는 물론 전자종이, 유연 물리화학센서 등과 같이 다양한 차세대 유연 전자소자 를 제작할 수 있는 기술이다. KERI는 해당 기술에 대한 특허를 확보하고, 관련 업 체와의 기술이전을 통해 빠른 시일 내 전기도금법 기반 금속 3D 프린터를 상용화할 계획이다. 한편, 이번 연구 는 자체 정부출연금사업을 통해 이뤄졌다. 전기도금법을 이용한 금속 3D 프린팅 기술 원리에는 두 가지가 있다. 1. 메니스커스를 마이크로미터 크기의 미세 도금조(Electroplating bath)로 이용, 전기도금으로 금속을 쌓아가는 방식 KERI가 개발한 전기도금법을 이용한 금속 3D 프린 팅 기술은 미세 노즐(Nozzle)과 잉크 역할을 하는 금속 전해용액을 활용해 낮은 온도에서, 저렴하고, 간단한 전 기도금 공정으로 3차원 금속 구조체를 제작할 수 있다. 우선, 양극전극(+)이 삽입된 노즐에 잉크를 채우고 노즐과 기판(음극전극, -)을 접촉시켜 노즐과 기판 사이 기존 금속3D 프린팅 기술과 차이점 138 계장기술

최근 정부가 발표한 3D 프린팅 전략기 술 로드맵에 따르면 2025년까지 전자/전기적 기능 부 여가 가능한 복합소재 및 복합공정 3D 프린팅 기술 개 발로 디지털 제조 신기술 우위를 확보해 관련 산업 분 야 세계 3위권의 3D 전자부품 제조기업을 확보한다는 계획이다.

4 액체 외벽에 곡면이 형성되는 메니스커스 현상 에 전해용액의 메니스커스(Meniscus) 5) 를 형성시킨다. 술을 확보했다. 모세관 현상에 의해 물방울이 터지지 않으면서 외벽 에 곡면이 형성되는 현상인 메니스커스를 이용해 물기 둥을 만들고, 이를 미세 도금조 6) 로서 활용해 양극전극 과 기판(음극전극) 사이에 전압을 가한다. 이때, 기판 위 에 형성된 전해용액의 메니스커스 내부에서만 용해된 금속이온이 환원되면서 금속이 켜켜이 쌓여 금속 빌딩 블록(Building block)이 형성된다. 보통 전기도금을 통해 제작된 속이 꽉 찬 금속 빌딩블 록을 쌓아 다양한 형상의 금속 3차원 구조체를 제작하지 만, 메니스커스 표면 증발로 인해 금속이온이 메니스커스 표면에 모이는 현상과 금속이온의 산화 환원반응을 전 기적으로 제어해 필요에 따라서 내부가 비어있는 관 모양 의 빌딩블록의 제작도 가능하다. 이를 통해 제작 가능한 금속 구조체의 형상과 응용 분야를 다양화할 수 있다. 노즐의 이동을 통해 이러한 과정을 연속적으로 진행 하면서 금속 빌딩블록을 원하는 형상으로 쌓으면, 3차 원 금속 구조체가 만들어지게 된다. 이때, 메니스커스 크기에 의해 금속 빌딩블록의 크기가 결정되며, 그것은 프린팅의 해상도가 된다. 2. 메니스커스 표면에서 물(용매) 증발을 이용, 다양한 형태의 빌딩블록 제작 가능 KERI 연구팀이 개발한 전기도금법을 이용한 금속 3D 프린팅 기술은 기술적 특성상 거대한 금속 구조체 제작이 아닌 IT, 의료 및 센서산업 등에 적용점을 둬 작 고 정교한 금속 3차원 구조체를 저렴하고 안전하게 제 작할 수 있다. 금속소재의 소결을 기반으로 하는 현존 3D프린팅 기술들이 가진 낮은 기술 확산성 문제를 일 정부분 해결할 것으로 예측되며, 금속 3D 프린팅 시장 의 개인용도로의 확산에 기여할 것으로 전망된다. KERI 연구팀은 도금조 역할을 하는 메니스커스의 용 액 증발현상과 산화 환원반응을 전기적으로 제어해 다 양한 형태의 3차원 금속 빌딩블록을 제작할 수 있는 기 5) 모세관( 毛細管 ) 내의 액체의 표면이 모세관 현상에 의하여 형성하는 곡면. 즉, 관벽( 管壁 )을 따라서 주위가 중앙에 비하여 올라가거나 내려감으로써 생긴 곡면이다

보통 전기도금을 통해 제작된 속이 꽉 찬 금속 빌딩블 록을 쌓아 다양한 형상의 금속 3차원 구조체를 제작하지 만, 메니스커스 표면 증발로 인해 금속이온이 메니스커스 표면에 모이는 현상과 금속이온의 산화 환원반응을 전 기적으로 제어해 필요에 따라서 내부가 비어있는 관 모양 의 빌딩블록의 제작도 가능하다.

5 b z Anode C 100 r So 4 2- So 2-4 So 2-4 So 2-4 Evaporation Concentration Ratio (Ce/Cc) 10 1 So 4 2- Center Edge Substrate (cathode) 메니스커스 표면 물 증발에 따른 구리이온 분포변화 전기제어에 따른 3차원 금속 구조체 형태 다양화 특히, 미래형 웨어러블 스마트기기를 생산하는데 적 합한 인쇄전자(Printed electronics) 분야에 금속 3D 프 린팅 기술을 접목함으로써 3D 전기전자부품 제조를 통 한 관련 산업 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다. 최 근 정부에서 발표한 3D 프린팅 전략기술 로드맵에 따 르면 2025년까지 전자/전기적 기능 부여가 가능한 복 합소재 및 복합공정 3D 프린팅 기술 개발로 디지털 제 조 신기술 우위를 확보해 관련 산업 분야 세계 3위권의 3D 전자부품 제조기업을 확보한다는 계획이다. 인쇄전 자 기술은 다양한 기능성 잉크 소재를 직접 인쇄공정을 이용하여 스마트폰, 디지털 카메라, DVD, LCD 등 디 지털 가전기기는 물론 전자종이, 유연 물리화학센서 등 과 같이 다양한 차세대 유연 전자소자를 제작할 수 있 는 기술이다. 140 계장기술

6 전기도금법의 원리 전기도금법을 이용한 금속 3D 프린팅 원리 전기도금법 이용 금속 3D 프린팅 기술 적용 분야

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¹é¼ŁÇ¥Áö 11³âš KERI ANNUAL REPORT 2010 KERI ANNUAL REPORT 2010 KOREA ECONOMIC RESEARCH INSTITUTE KOREA ECONOMIC RESEARCH INSTITUTE 1 2 3 KOREA ECONOMIC RESEARCH INSTITUTE KERI CONTENTS 3 6 55 56 CONTENTS K O R E A E