[에너지데일리 송병훈 기자] 3D 프린팅 기술은 디지털 디자인 데이터를 기반으로 소재를 튼튼히 쌓아서 입체 형태의 제품을 제작하는 기술을 의미한다.
이같은 기술적 특징 때문에 맞춤형의 다품종 소량 생산 가능한 제품 제작, 그리고 비교적 다른 공정과 비교해 복잡한 구조물의 제작을 손쉽게 할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 다양한 분야에 활용이 가능하다는 의미이며, 실제 피규어의 제작부터 의료, 바이오, 건축, 항공우주산업 등에 폭넓게 활용되고 있다.
이와 관련 한국전기연구원(KERI)은 2011년 전도성고분자 나노와이어 3D 프린팅 기술 개발을 시작으로 잉크기반 고정밀 3D 프린팅 기술 및 기능성 잉크 관련 기술 연구를 지속적으로 수행해오고 있으며, 최근에는 전기가 통하는 초미세 전자회로를 3차원으로 인쇄할 수 있는 획기적인 3D 프린팅 기술을 개발하는데 성공했다.
KERI 설승권 책임연구원의 브리핑 내용을 중심으로 이 기술 개발이 갖는 의미와 향후 기대되는 효과들을 짚어봤다.

▲ 4차 산업혁명과 3D 프린팅

예를 들어 아이언맨을 3D 프린터로 만든다고 생각해보자. 일반적으로 우리가 알고 있는 3D 프린팅 기술은 아이언맨의 body를 만드는 기술이다. 3D 프린팅 일렉트로닉스 기술은 전자소자, 전자부품을 3D 프린팅으로 만들어, 궁극적으로는 ‘완벽한 아이언맨을 3D 프린터로 만들자’라는 게 기본적인 콘셉트다.

이 기술은 현재 4차 산업혁명의 시대를 맞아 사물인터넷, 웨어러블 디바이스, 스마트 팩토리 등 접목됐을 때 상당히 시너지 효과가 있을 것이라고 보여지고 있으며, 전 세계적으로도 아직은 시작 단계지만 상당히 관심을 가지고 연구자들이 연구하고 있는 분야다.

실제로 2D 기반의 고집적화는 이미 물리적·기술적 한계에 접어들었으며, 집적도를 더욱 높이려면 3D 형상의 전기·전자회로 및 소자의 제작이 필요하다는데 이견을 제시하는 사람은 없다. 특히 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.

국내에서는 2014년 미래창조과학부와 산업통상자원부가 제시한 3D 프린팅 전략기술 로드맵에 3D 전자부품이라는 분야가 포함됐다. 3D 프린팅 기술의 ‘10대 핵심 활용 분야’로도 선정됐으며, ‘2025년까지 세계 3대 강국 자리매김’을 목표로 연구가 수행중이다.

▲ 3D 프린팅 독자 기술

KERI 설승권 책임연구원팀은 3D 프린팅 일렉트로닉스 구현을 위한 독창적인 기술을 개발했다.

특히 잉크를 사용하는 것과 잉크 사용에 따라 마치 펜으로 글을 쓰듯이 3D 구조물을 프린팅한다는 점에 높은 평가를 받고 있다. 일반적인 3D 프린팅의 경우 외부에서의 에너지가 필요하다. 그러나 이 기술은 마치 펜으로 글을 쓰듯이 잉크를 넣어주고 그리면 3차원 구조물을 만들 수 있다.

설승권 책임연구원은 "잉크는 어떤 형상을 가지고 있는 솔루션이기 때문에 프린팅 할 수 있는 구조물의 해상도를 줄일 수가 있어 나노 사이즈로 갈 수가 있다"고 말했다.

또한 우리가 이미 인쇄전자라는 기술 분야를 가지고 있다는 점도 강점으로 꼽힌다. 3D 프린팅 기술 실현을 위해서는 반드시 필요한 것은 프린팅 기술에 맞는 3D 프린팅용 잉크를 제조할 수 있는 잉크화 기술이다. 전 세계에서 많은 연구자들이 인쇄전자 분야에 활용될 수 있는 잉크를 개발해 놓은 상태이며, 우리의 잉크기술, 잉크화 기술을 이용하면 기존에 있는 인쇄전자용 잉크를 가지고도 3차원 구조물을 만들 수 있다는 설명이다.

▲ 신개념 3D 프린팅 기술 평가

이 기술을 좀 더 학문적으로 정의하자면 탄소나노튜브(CNT) 및 은(Ag) 나노입자를 이용한 ‘3D 프린팅용 나노 전자잉크’와 ‘잉크  기반 고정밀 3D 프린팅 기술’이다.

이 기술은 그동안 연구진이 독자적으로 개발해 온 메니스커스(Meniscus, 모세관 현상에 의해 물방울이 터지지 않으면서 외벽에 곡면이 형성되는 현상) 기반의 3D 프린팅 기술(Advanced Materials/Small, 2015)을 더욱 발전시킨 세계 최고 수준의 기술이다.

이 기술을 이용하면 기존 2차원 인쇄전자기술에 사용되는 전자잉크들과 유사하게 낮은 점도(<100 mPa·s) Pa·s: 점도를 나타내는 국제단위. 물의 점도는 20℃에서의 약 1mPa·s이며, 벌꿀이나 당밀의 점도는 약 500Pa·s이다.)를 가지면서도 우수한 전기적 특성을 갖는 3차원 구조물을 제작할 수 있다.

설 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.

또한 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 프린팅 할 수 있다. 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 있다는 기대감을 갖게 한다.

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.

▲ 국내업체에 기술이전

이 기술은 다양한 소재의 전자잉크를 이용해 마이크로, 나노미터 수준의 기능성 3차원 미세구조물의 제작할 수 있는 신개념의 3D 프린팅 기술을 제시했다는 평가를 받고 있다.

KERI는 지난 8일 해당 기술을 관련 전문기업인 ㈜대건테크(대표 신기수)에 기술이전했다. 연구진은 전폭적인 기술지원을 통해 ‘전자소자를 인쇄할 수 있는 3D 프린터’의 상용화를 뒷받침할 예정이며, 조속한 시일 내에 제품화가 가능할 것으로 기대되고 있다.

설승권 책임연구원은 "크게는 전기전자 소자를 제작할 수 있는 산업용 스마트 3D 팩토리 분야, 그리고 작게는 간단한 전자기기의 경우 가정에서 개인이 손쉽게 제작할 수 있는 가능성을 열 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.