기술정보 스마트기기전자소자도 3D 프린팅으로인쇄한다 - 3D 나노전자잉크및잉크기반고정밀 3D 프린팅기술개발 한국전기연구원 국내연구진이전기가통하는초미세전자회로를 3 차원으로인쇄할수있는획기적인 3D 프린팅기술을개발해국내업체에기술이전했다. 술 을개발하는데성공했다. 이기술을이

기술정보 스마트기기전자소자도 3D 프린팅으로인쇄한다 - 3D 나노전자잉크및잉크기반고정밀 3D 프린팅기술개발 한국전기연구원 국내연구진이전기가통하는초미세전자회로를 3 차원으로인쇄할수있는획기적인 3D 프린팅기술을개발해국내업체에기술이전했다. 술 을개발하는데성공했다. 이기술을이용하면전기가통하는수백나노미터 (nm, 1nm = 10억분의 1m) 크기의스마트기기용전자회로를인쇄할수있다. 미래창조과학부국가과학기술연구회산하전기전문연구기관한국전기연구원 (KERI 원장박경엽 ) 의설승권책임연구원팀 ( 나노융합기술연구센터 ) 이최근탄소나노튜브 (CNT) 및은 (Ag) 나노입자를이용한 3D 프린팅용나노전자잉크 와 잉크기반고정밀 3D 프린팅기 이기술은그동안연구진이독자적으로개발해온메니스커스 (Meniscus) 1) 기반의 3D 프린팅기술 (Advanced Materials/Small, 2015) 을더욱발전시킨세계최고수준의기술이다. 향후전자소자제작에핵심적으로활용될것으로기대돼해외에서도큰관심을얻고있다. 연구진은지난 8일해당기술을관련전문기업인 대건테크 ( 대표신기수 ) 에기술이전했다. 전폭적인기술지원을통해 전자소자를인쇄할수있는 3D 프린터 의상용화를뒷받침할예정이다. 그림 1. 모세관현상에의해물방울이터지지않으면서외벽에곡면이형성되는현상인메니스커스현상. 메니스커스를일종의통로로삼아내부에서만나노전자잉크가켜켜이쌓여 3 차원구조체를형성하는데, 한국전기연구원연구진은메니스커스용액의형상과증발현상을제어해다양한형태의 3 차원구조체를인쇄할수있는기술을확보했다. 최근전기전자산업에서는전기전자회로들을유연한기판위에더작고, 더집적화하는방향으로기술개발을진행하고있다. 그러나 2D 기반의고집적화는이미물리적기술적한계에접어들었으며, 집적도를더욱높이려 1) 메니스커스 : 모세관현상에의해물방울이터지지않으면서외벽에곡면이형성되는현상. 메니스커스를일종의통로로삼아내부에서만나노전자잉크가켜켜이쌓여 3 차원구조체를형성하는데, 연구진은메니스커스용액의형상과증발현상을제어해다양한형태의 3 차원구조체를인쇄할수있는기술을확보했다. 158 계장기술

면 3D 형상의전기전자회로및소자의제작이필요한실정이다. 4차산업혁명시대를맞아전자소자제조공정에도 3D 인쇄전자 (3D printed electronics) 기술을적용하려는움직임이전세계적으로확산되는상황도전자소자제조패러다임의급격한변화를불러오고있다. 이러한 3D 프린팅기술의실현을위해서는반드시필요한것은프린팅기술에맞는 3D 프린팅용잉크를제조할수있는잉크화기술이다. 다양한나노소재의전자잉크가인쇄전자산업에적용되어스마트폰, 디지털카메라, DVD, LCD 등디지털가전은물론전자종이, 유연물리화학센서등과같이차세대유연전자소자를제작하는데폭넓게활용되고있지만, 2D 기반이라는한계가있다. 연구진은우선탄소나노튜브와은나노입자를이용해 3D 프린팅용나노전자잉크기술을개발했다. 이기술을이용하면기존 2차원인쇄전자기술에사용되는전자잉크들과유사하게낮은점도 (<100 mpa s) 2) 를가지면서도우수한전기적특성을갖는 3차원구조물을제작할수있다. 설승권책임연구원은 이는기존인쇄전자용잉크도간단한조작으로 3D 프린팅에활용될수있다는것을의미하며, 개발된 3D 프린팅기술에적용될수있는 3D 프린팅용잉크소재를다양화할경우, 인쇄전자의다양한분야에실용화할수있는가능성을보여준다 고설명했다. 연구진은이어다양한형상의기능성 3차원인쇄를할수있는잉크기반 3D 프린팅기술을개발했다. 잉크의토출을위해잉크방울을형성하거나또는압력을가해야하는기존의프린팅방식과달리, 잉크의표면장력을이용해펜으로글씨를쓰는것과같은새로운방법 (Foun tain-pen 3D Printing) 으로프린팅하는기술이다. 이기 술은다중노즐을적용해생산성향상과함께제작된패턴의해상도를한층높일수있다는장점이있다. 개발된나노전자잉크와잉크기반 3D 프린팅기술은기존의거시적인구조물을제작하는것에그쳤던 3D 프린팅기술의한계를넘어, 다양한소재로마이크로, 나노미터수준의기능성 3차원미세구조물을제작할수있다. 연구진은전자소자의미세 3D 모듈 ( 센싱변환기, 에미터, 안테나, 인덕터등 ) 제작에개발된 3D 프린팅용나노전자잉크와 3D 프린팅기술을성공적으로적용해다양한형상의 3차원구조물제작이가능함을증명했다. 이번기술개발로 3차원패터닝을위해마땅한기술이없었던인쇄전자분야에새로운패러다임을제공할것으로예상된다. 또한, 우리정부 ( 미래부-산업부 ) 에서국가차원의중장기적 3D 프린팅기술확보전략마련을위해수립한 3D 프린팅전략기술로드맵에서설정한 2025년 3D 프린팅전자부품분야글로벌시장선도기반마련으로세계 3위권 3D 전자부품제조기업확보라는목표실현을위해확실하게기여할수있을것으로기대된다. 한편, 해당연구결과들은성과의우수성을인정받아나노및에너지소재분야세계적인과학저널인 ACS 나노 (ACS Nano) 3), ACS 어플라이드머티리얼즈앤인터페이스 (ACS Applied Materials & Interfaces) 4) 등에게재됐다. 2) Pa s : 점도를나타내는국제단위. 물의점도는 20 에서의약 1mPa s 이며, 벌꿀이나당밀의점도는약 500Pa s 이다. 3) ACSNano : Three-Dimensional Printing of Highly Conductive Carbon Nanotube Microarchitectures with Fluid Ink(2016.8.26) 4) ACS Applied Materials & Interfaces : 3D Printing of Silver Microarchitectures Using Newtonian Nanoparticle Inks(2017.5.25.) 2017. 7 159

전자소자제작이가능한고정밀 3D 프린팅및 3D 나노전자잉크기술개발 최근전기전자산업에서는전기전자회로들을유연한기판위에더작고, 더집적화하는방향으로기술개발을진행하고있다. 그러나 2D 고집적화는이미물리적기술적한계에접어들었으며, 집적도를더욱높이려면 3D 형상의전기전자회로제작이필요한실정이다. 이에전세계적으로전자소자제조과정에서 3D 프린팅기술을적용하려는움직임이확산되면서제조혁신의패러다임이일고있다. 하지만현재상용화된 3D 프린팅기술은해상도가매우낮고전기적특성이우수한소재들을이용하는데제약이많아전자소자제작이불가능하다. 이러한문제를해결하고자 2D 프린팅에서사용하는다양한소재의기능성잉크나페이스트를가지고고해상도의기능성 3D 구조물을제작할수있는 3D 프린팅기술의개발이요구되고있다. 본연구팀은잉크메니스커스 (Meniscus) 의제어를통해 3차원구조물을제작할수있다는것을규명하였고 (Advanced Materials/Small, 2015), 이를바탕으로 3D 인쇄전자기술분야에서전자소자제작에핵심적으로활용될수있는탄소나노튜브 (CNT) 와은 (Ag) 소재의 3D 전자잉크와수백나노미터해상도의잉크기반 3D 프린팅기술을개발하였다. 개발된 3D 프린팅기술은본연구팀에서기발표한프린팅기술보다향상된것으로단순와이어타입의미세구조물의제작은물론 layer-by-layer 프린팅기법을통해다양한형태의 3차원구조물의제작이가능하다. 그림 2는개발된 3D 프린팅기술의적층원리를보여주는모식도이다. 노즐과기판사이에형성된잉크메니스커스를통해은나노입자나탄소나노튜브가이동되는데이때잉크의메니스커스표면에서용매가증발하고, 이로인해나노물 그림 2. 개발된 3D 프린팅기술의프린팅방법에대한모식도질사이에반데르발스힘 ( 분자내강한인력 ) 이작용하여적층된다. 프린팅과정중메니스커스의정밀제어를통해 Layer-by-Layer 프린팅이가능하다. 개발한 3D 프린팅용전자잉크와 3D 프린팅기술을이용하여다양한형상의 3차원구조물의제작이가능하다는것을증명하였으며, 전자소자의미세 3D 모듈 ( 센싱변환기, 에미터, 안테나, 인덕터등 ) 제작에적용하였다 ( 그림 3). 본성과는다양한소재의전자잉크를이용하여마이크로, 나노미터수준의기능성 3차원미세구조물의제작할수있는신개념의 3D 프린팅기술을제시하였다. 본잉크기반고정밀 3D 프린팅및 3D 전자잉크기술은기술이전업체와상용화를위한연구를진행중이며, 조속한시일내에제품화가가능할것이다. 160 계장기술

Ag Bridge LED Ag Bridge 100 μm (a) (c) (f) 10 μm 10 μm 100 μm 10 μm Inductance (nh) (d) 150 (g) 100 50 0-50 -100-150 Current density (ma/cm 2 ) 0.12 0.08 10 μm (b) Response( R) 6 4 NH 3 On 2 10 0 Unite : ppm 0 15 30 45 60 75 Time (min) AC Resistance (Ohm) (e) -4 Ln(J/E 2 ) NH 3 Off 0.04-6 0.00 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5-7 Electric field (V/ μm ) 6 4 (h) 10000 2 1000 0 100-2 -4 10-6 1 0M 1.0G 1.5G 2.0G 2.5G 3.0G Frequency (Hz) Q-factor -5 30 50 70 0.4 0.5 0.6 0.7 1/ E 500.0M 1.0G 1.5G 2.0G 2.5G 3.0G Frequency (Hz) 그림 3. 인쇄된 3 차원미세구조물 ( 은, 탄소나노튜브 ) 과미세 3D 모듈응용 2017. 7 161

한국전기연구원설승권박사 ( 책임연구원 ) 와나노잉크기반고정밀 3D 프린터시제품 [ 연구결과문답 ] 1. 국내외연구동향 ( 세계적기술수준과비교하면?) 일반적인 3D 프린팅기술의경우는단일재료를이용해서 3차원구조물을만드는데국한되나, 이번에개발한기술은기능성전자잉크를이용해서전자기기를제작할수있는, 즉기존의 3D프린팅과는다른획기적인기술이다. 3D 프린팅을이용하여전자소자를제작하는 3D 인쇄전자기술은국내에는상당히열악한상황이고, 세계적으로도연구초기단계에있으나, 기술개발의필요성이날로높아져일부대학및연구소에서연구를진행하고있다. 하버드대학연구팀의경우실버잉크를이용한 3D 프린팅기술을개발했고, 그기술을이용해프린터도제작했지만아직도전자소자를제작에는많이부족한상황이다. 한국전기연구원연구진은다년간의연구를통해 3D 프린팅및 3D 나노전자잉크기술을개발한결과, 세계적으로기술의탁월성을인정받고있으며, 잉크를이용한 3D 프린팅에서는세계최고의기술을보유하고있다고자평한다. 2. 연구성과가어떤산업에적용될수있는지? 3D 인쇄전자기술분야발전에기여를통해웨어러블소자, 사물인터넷, 스마트공장기술분야공정기술등미래기술산업분야에적용될수있다. 향후가정에서자기가원하는디자인으로간단한전자소자를제작할수있도록해줄것이며, 좀더멀리보면기성전자제품을사용하지않는그런시대도올것으로예상한다. 3. 개발당시어려웠던점은? 본개발기술분야는재료, 기계, 물리, 화학등다종영역의기술들이융합되어있는기술분야다. 연구사례가많지않아연구초기에는어려움이있었으나, 단계적인연구수행을통해세계적인경쟁력을가진 3D 프린팅기술을개발하게되었다. 4. 향후계획및상용화전망개발한기술의상용화를위해단기적으로는기술이전업체를지원하여전자소자제작용 3D 프린터를출시할것이며, 관련분야의지속적인연구를통해장기적으로는스마트공장에활용될수있는산업용 3D 공정설비개발을추진할계획이다. 162 계장기술