‘꿈의 소재’로 불리는 그래핀으로 머리카락보다 수백 배 가는 굵기의 나노미터급 3차원 구조체를 제작할 수 있는 ‘3D 그래핀 나노프린팅 기술’이 국내 연구진에 의해 세계 최초 개발됐다. 3D 나노프린팅 기술 선점과 더불어 인쇄전자 분야에 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대된다.

한국전기연구원(KERI)의 설승권 박사팀(나노융합기술연구센터)은 미래형 전자소자 핵심소재인 그래핀으로 다양한 형태의 3차원 나노구조체를 제작할 수 있는 3D 나노프린팅 기술을 개발하는데 성공했다고 18일 밝혔다.

이 기술은 미래형 웨어러블 스마트기기를 생산하는데 적합한 인쇄전자 분야 발전에 혁신을 가져올 수 있는 기술로 주목받고 있다.

인쇄전자 기술은 다양한 기능성 잉크 소재를 직접 인쇄공정을 이용해 스마트폰, 디지털 카메라, DVD, LCD 등 디지털 가전은 물론 전자종이, 유연 물리화학센서 등과 같이 다양한 차세대 유연 전자소자를 제작할 수 있는 기술이다.

현재 인쇄전자 관련 기술 중 가장 주목받고 있는 분야가 3D프린팅 기술임에도 아직까지 3D프린팅 기술은 거시적인 구조물을 제작하는 것에 그치고 있으며, 전자소자 구현을 위해 요구되는 나노미터 수준의 미시적인 구조물을 제작하는 것에는 기술적인 어려움을 겪고 있다는 설명이다.

차세대 그래핀 기반 유연 소자의 구현을 위해서는 대면적으로 나노미터 크기의 그래핀 3차원 구조체를 원하는 위치에 제작할 수 있는 3D 패터닝 기술이 필수적이다.

이에 KERI 연구팀은 기존 상용화된 3D프린터로는 제작할 수 없는, 나노미터 단위의 구조체 제작과 새로운 프린팅 기술을 개발을 위해 초정밀하게 노즐을 제어할 수 있고, 초미세 프린팅 과정을 실시간 고해상도 영상으로 관찰할 수 있는 기능이 탑재된 3D 나노프린터를 자체 기술로 개발하는데 성공했다.

이 기술을 이용하면 초미세 노즐과 잉크 역할을 하는 ‘산화 그래핀(graphene oxide)’ 용액을 활용해 나노미터급의 극미세 3차원 나노구조체를 간단한 공정으로 제작할 수 있다.

이렇게 제작된 3차원 나노구조체는 평균 150㎛으로 머리카락의 굵기에 비해 수백 배 작은 크기다.

연구팀은 이를 가능하게 하기 위해 ‘메니스커스(meniscus)’ 현상을 이용했는데, 이 현상은 표면에 있는 물방울 등을 일정 압력으로 지그시 누르거나 당기면 모세관 현상에 의해 물방울이 터지지 않으면서 외벽에 곡면이 형성되는 현상을 말한다.

나노 프린팅 기술은 노즐을 움직이는 속도에 차이를 줌으로써 잉크의 메니스커스 크기를 제어하거나 산화그래핀이 나오는 경로를 한정함으로써 노즐의 구멍 보다 더 작은 나노미터급의 구조체를 제작할 수 있도록 한 것이다.

즉, 기존 프린팅 기술에서 노즐의 구멍 크기에 따라 제작할 수 있는 구조체의 크기가 한정되는 근본적인 문제를 해결했다.

이 기술을 통해 제작된 그래핀 나노구조체는 전기 전도성이 뛰어나 전기가 잘 통하고, 화학적·구조적 안정도가 높다. 열적·기계적 특성도 우수해 휘거나 구부러지는 등의 충격에도 강한 특성을 갖는다.

또한 그래핀 뿐만 아니라 금속, 플라스틱 등 다중소재의 3D 나노패턴을 제작하는 것이 가능해 다양한 소재로 구성된 인쇄형 전기소자 구현에 활용될 수 있다.

향후 휴대폰 같은 스마트 전자기기를 3D프린터를 이용해 제작할 수 있는 시대가 열릴 것으로 기대된다.