보도자료 배포일시 : 2017 년 6 월 12 일 ( 월요일 ) 매수본문 3 매 ( 별첨 8 매 ) 6 월 13 일 ( 화 ) 조간부터보도요청드립니다 ( 온라인은 6 월 12 일 12 시부터 ) 문의 : 한국전기연구원나노융합기술연구센터설승권책임연구원 (T.055-280-1462 / M. 010-6250-4028 / E-mail. skseol@keri.re.kr) 스마트기기전자소자도 3D 프린팅으로인쇄한다 한국전기연구원, 3D 나노전자잉크및잉크기반고정밀 3D 프린팅기술개발 국내업체기술이전완료... 전자소자를인쇄할수있는 3D 프린터 상용화추진 스마트공장 3D 공정기술등에도적용가능 국내연구진이전기가통하는초미세전자회로를 3 차원으로인쇄할수있는획 기적인 3D 프린팅기술을개발해국내업체에기술이전했다. 미래창조과학부국가과학기술연구회산하전기전문연구기관한국전기연구원 (KERI 원장박경엽 ) 의설승권책임연구원팀 ( 나노융합기술연구센터 ) 은최근탄소나노튜브 (CNT) 및은 (Ag) 나노입자를이용한 3D 프린팅용나노전자잉크 와 잉크기반고정밀 3D 프린팅기술 을개발하는데성공했다. 이기술을이용하면전기가통하는수백나노미터 (nm, 1 nm=10억분의 1m) 크기의스마트기기용전자회로를인쇄할수있다. 이기술은그동안연구진이독자적으로개발해온메니스커스 (Meniscus) 1) 기반의 3D 프린팅기술 (Advanced Materials/Small, 2015) 을더욱발전시킨세계최고수준의기술이다. 향후전자소자제작에핵심적으로활용될것으로기대돼해외에서도큰관심을얻고있다. 연구진은지난 8일해당기술을관련전문기업인 대건테크 ( 대표신기수 ) 에기술이전했다. 전폭적인기술지원을통해 전자소자를인쇄할수있는 3D 프린터 의상용화를뒷받침할예정이다. 1) 메니스커스 : 모세관현상에의해물방울이터지지않으면서외벽에곡면이형성되는현상. 메니스커스를일종의통로로삼아내부에서만나노전자잉크가켜켜이쌓여 3 차원구조체를형성하는데, 연구진은메니스커스용액의형상과증발현상을제어해다양한형태의 3 차원구조체를인쇄할수있는기술을확보했다. - 1 -
최근전기 전자산업에서는전기 전자회로들을유연한기판위에더작고, 더집적화하는방향으로기술개발을진행하고있다. 그러나 2D 기반의고집적화는이미물리적 기술적한계에접어들었으며, 집적도를더욱높이려면 3D 형상의전기 전자회로및소자의제작이필요한실정이다. 4차산업혁명시대를맞아전자소자제조공정에도 3D 인쇄전자 (3D printed electronics) 기술을적용하려는움직임이전세계적으로확산되는상황도전자소자제조패러다임의급격한변화를불러오고있다. 이러한 3D 프린팅기술의실현을위해서는반드시필요한것은프린팅기술에맞는 3D 프린팅용잉크를제조할수있는잉크화기술이다. 현재다양한나노소재의전자잉크가인쇄전자산업에적용되어스마트폰, 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 (Fountain-Pen 3D Printing) 으로프린팅하는기술이다. 이기술은다중노즐을적용해생산성향상과함께제작된패턴의해상도를한층높일수있다는장점이있다. 개발된나노전자잉크와잉크기반 3D 프린팅기술은기존의거시적인구조물 2) Pa s: 점도를나타내는국제단위. 물의점도는 20 에서의약 1mPa s 이며, 벌꿀이나당밀의점도는약 500 Pa s 이다. - 2 -
을제작하는것에그쳤던 3D 프린팅기술의한계를넘어, 다양한소재로마이크로, 나노미터수준의기능성 3차원미세구조물을제작할수있다. 연구진은전자소자의미세 3D 모듈 ( 센싱변환기, 에미터, 안테나, 인덕터등 ) 제작에개발된 3D 프린팅용나노전자잉크와 3D 프린팅기술을성공적으로적용해다양한형상의 3차원구조물제작이가능함을증명했다. 이번기술개발로 3차원패터닝을위해마땅한기술이없었던인쇄전자분야에새로운패러다임을제공할것으로예상된다. 또한, 우리정부 ( 미래부-산업부 ) 에서국가차원의중 장기적 3D프린팅기술확보전략마련을위해수립한 3D 프린팅전략기술로드맵에서설정한 2025년 3D 프린팅전자부품분야글로벌시장선도기반마련으로세계 3위권 3D 전자부품제조기업확보라는목표실현을위해확실하게기여할수있을것으로기대된다. 한편, 해당연구결과들은성과의우수성을인정받아나노및에너지소재분야 세계적인과학저널인 ACS 나노 (ACS Nano) 3), ACS 어플라이드머티리얼즈 앤인터페이스 (ACS Applied Materials & Interfaces) 4) 등에게재됐다. [ 문의 ] 한국전기연구원나노융합기술연구센터설승권박사 ( 책임연구원 ) (055) 280-1462 M. 010-6250-4028 E-mail: skseol@keri.re.kr 한국전기연구원홍보협력실류동수실장 (055) 280-1078 M. 010-9318-2385 E-mail : bagdad73@keri.re.kr 참고 1. 연구성과발표요약본및연구결과개요 ( 용어설명 ) 참고 2. 연구결과문답 참고 3. 연구자이력사항 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.) - 3 -
한국전기연구원연구성과발표요약본 ( 백브리핑용 ) 월 미래부브리핑실 호실 보도일시주요내용비고 잉크기반고정밀 3D 프린팅기술및 3D 나노전자잉크개발 조간신문 화 온라인 월 부터 연구자 한국전기연구원 창의원천연구본부설승권책임연구원 사업 국가과학기술연구회 정부출연금사업 주요내용및기대효과 인쇄전자기술을통해전자소자제작에핵심적으로활용될수있는 나노전자잉크와수백나노미터 억분의 해상도의잉크기반 프린팅기술개발 개발된기술은관련기업체기술이전후상용화추진중 전자소자의미세 모듈 센싱변환기 에미터 안테나 인덕 터등 제작에적용하여활용가능성을확인 우리정부 미래부 산업부 가국가차원의중 장기적 프린 팅기술확보전략마련을위해수립한 프린팅전략기술 로드맵에서설정한 년 프린팅전자부품분야글로벌 시장선도기반마련으로세계 위권 전자부품제조기업 확보라는목표실현에핵심적인역할과기여예상 작게는전자소자용 프린터제조에서부터크게는스마트 공장의 공정기술에적용가능한기술 특이사항 기술이전 프린팅용기능성잉크및 프린팅기술 기술이전 계약일자 대상업체 대건테크 전자기계장비제조전문기업 관련연구사업 차원전기전자소자용잉크기반다중소재고정밀 프린터개발 국가과학기술연구회정부출연금사업 - 4 -
연구결과개요 전자소자제작이가능한 고정밀 3D 프린팅및 3D 나노전자잉크기술개발 최근전기 전자산업에서는전기 전자회로들을유연한기판위에더작고, 더집적화하는방향으로기술개발을진행하고있다. 그러나 2D 고집적화는이미물리적 기술적한계에접어들었으며집적도를더욱높이려면 3D 형상의전기 전자회로제작이필요한실정이다. 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 ( 참고동영상1과동영상2). 그림 1은개발된 3D 프린팅기술의적층원리를보여주는모식도이다. 노즐과기판사이에형성된잉크메니스커스를통해은나노입자나탄소나노튜브가이동되는데이때, 잉크의메니스커스표면에서용매가증발하고, 그로인해나노물질사이에반데르발스힘 ( 분자내강한인력 ) 이작용하여적층되게된다. 프린팅과정중메니스커스의정밀제어를통해 layer-by-layer 프린팅이가능하다. - 5 -
그림 1. 개발된 3D 프린팅기술의프린팅방법에대한모식도 개발한 3D 프린팅용전자잉크와 3D 프린팅기술을이용하여다양한형상의 3 차 원구조물의제작이가능하다는것을증명하였으며, 전자소자의미세 3D 모듈 ( 센싱변환기, 에미터, 안테나, 인덕터등 ) 제작에적용하였다 ( 그림 2, 동영상 3). 본성과는다양한소재의전자잉크를이용하여마이크로, 나노미터수준의기능성 3차원미세구조물의제작할수있는신개념의 3D 프린팅기술을제시하였다. 현재본잉크기반고정밀 3D 프린팅및 3D 전자잉크기술은기술이전업체와상용화를위한연구를진행중이며조속한시일내에제품화가가능할것이다. - 6 -
그림 2. 인쇄된 3 차원미세구조물 ( 은, 탄소나노튜브 ) 과미세 3D 모듈응용 - 7 -
용어설명 3차원인쇄전자 (3D printed electronics) 기술 : 3D 프린팅기술을이용한인쇄를통해 2, 3차원의전자소자를구현하려는기술로, 궁극적으로는프린팅만으로구현된완전한전기 전자제품을제작하는것을목표로한다. 3D 전자잉크 : 나노전자소재가용매에분산되어있는용액상태로전기적특성을갖는 3차원구조물의형성이가능한잉크 탄소나노튜브 (CNT): 탄소나노튜브에서하나의탄소원자는 3개의다른탄소원자와결합되어있고육각형벌집무늬를이룬다. 만약평평한종이위에이러한벌집무늬를그린후종이를둥글게말면나노튜브구조가된다. 즉나노튜브하나는속이빈튜브 ( 혹은실린더 ) 와같은모양을갖고있다. 이것을나노튜브라고부르는이유는그튜브의직경이보통 1 나노미터 (10억분의 1 미터 ) 정도로극히작기때문이다. 종이에벌집무늬를그리고둥글게말면나노튜브가된다고했는데이때종이를어느각도로말것인가, 튜브의직경이얼마나되게말것인가가문제가된다. 이에따라탄소나노튜브는금속과같은전기적도체가되기도하고또전기가잘안통하는반도체가되기도한다. 3D 프린팅 (3D printing) 기술 : 디지털디자인데이터를기반으로소재를층층이쌓아입체형태의제품을제작하는기술을말한다. 적층가공 (additive manufacturing) 이라고도불린다. 2013년초, 미국의오바마당시대통령은국정연설에서거의모든제품의생산방식을바꿀수있는잠재력을가진기술로 3D 프린팅을언급하기도했으며현재는제조업분야의 4차산업혁명을위한핵심기술로분류되고있다. 이러한 3D 프린팅기술의세계시장은제품관련된직접적인시장외에도서비스시장을포함한지속적인성장을통해 2020년까지 210억불규모이상성장이전망되고있다. - 8 -
참고 2 연구결과문답 - 9 -
참고 4 연구자이력사항 ( 설승권책임연구원 ) 1. 인적사항 소속 : 한국전기연구원창의원천연구본부나노융합기술연구센터 전화 : 055-280-1462 이메일 : skseol@keri.re.kr 2. 학력 2004.3 ~ 2008.2 : POSTECH 신소재공학과박사 2002.3 ~ 2004.2 : POSTECH 신소재공학과석사 1995.3 ~ 2002.2 : 서울시립대학교재료공학과학사 3. 경력사항연 도 기관명 직 위 비 고 2012.3 ~ 현재 과학기술연합대학원대학교 부교수 2017.3 ~ 현재 한국전기연구원 책임연구원 2008.9 ~ 2017.2 한국전기연구원 선임연구원 2008.3 ~ 2008.8 삼성전자 책임연구원 4. 전문분야정보 잉크기반 3D 프린팅기술및 3D 인쇄전자기술 나노소재합성및분산 - 10 -
별첨 한국전기연구원에대하여 한국전기연구원 (KERI) 은미래창조과학부국가과학기술연구회산하정부출연연구기관이다. 1976년국가공인시험기관으로서첫출발한이후최고수준의전기전문연구기관이자과학기술계대표정부출연연구기관으로성장했다. 현재경남창원에소재한본원외에 2 개의분원 ( 안산, 의왕 ) 이있으며, 전체직원수는 610여명에달한다. KERI 는실현가능하면서도대규모파급효과가기대되는연구과제를집중선정하여인류 와국가사회에기여하는대형성과창출을위해연구개발에매진하고있다. 중심연구분야는차세대전력망및신재생에너지, 초고압직류송전 (HVDC), 전기추진및산업응용기술, 나노신소재및배터리, 전기기술기반융합형의료기기등이다. 그동안 765kV 초고압전력설비국산화 차세대전력계통운영시스템 (EMS) 원전계측제어시스템 (I&C) 한국형배전자동화 (KODAS) 기술 펨토체레이저광원기술 자기부상열차자기부상제어시스템 전기차용탄화규소 (SiC) 전력반도체공정기술 고압직류송전 (HVDC) 용직류차단기기술등공공의이익과관련된분야에서선진국들과경쟁이가능하고업계가주목하는대형원천기술들을확보하는한편, 산업계기술이전을통해국가산업발전에기여하고있다. KERI는 4차산업혁명시대에대응하는주력연구분야로에너지, 로봇, 의료기기등 3 대분야를꼽고있다. KERI 중장기연구개발 (R&D) 발전계획 ' 을수립하여전체전력시스템변화에대비한전력시스템엔지니어링기술과분산전원, 초고압직류 (HVDC) 컨버터스테이션기술 ( 이상에너지 ), 로봇용초정밀서보모터, 공작기계용정밀제어시스템 ( 이상로봇 ), 형광전자내시경, 스마트보청기 ( 이상의료기기 ) 등 3대분야투입연구비를전체연구비대비 70% 이상으로높이는등투자를집중한다는계획이다. KERI는또한전력기기에대한국가공인시험인증기관이자세계 3대국제공인시험인증기관으로서세계적경쟁력과신뢰성을확보하고있다. 세계중전기기산업계의 'G10' 이라불리는 세계단락시험협의체 (STL) 정회원자격획득을통해 KERI의시험성적서가전세계시장에서통용되게함으로써국내중전기기업체의해외시장개척에기여하고있다. 아울러최근에는중전기기산업계의오랜숙원이었던 4000MVA 대전력설비증설을성공적으로마무리함으로써보다질높은서비스를제공하고 2025년까지세계최고의시험인증기관으로자리매김하기위한기반을구축했다. <KERI> - 11 -