[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

최근 전자 산업에서는 노광공정(photolithography)을 이용해 전자회로들을 더 작게, 더 집적화하는 방향으로 기술 개발을 진행하고 있다. 기존에 많이 활용됐던 노광공정은 사진 인쇄 기술로 집적 회로, 부품, 박막 회로, 프린트 배선 패턴 등을 그려 넣는 기법이다.

그러나 2차원 고집적화는 이미 물리적․기술적 한계에 접어들었다. 집적도를 더욱 높이려면 3차원 구조의 전자회로 제작이 필요한 실정이다. 하지만 기존 노광공정으로는 복잡한 3D 패턴을 만들기 어려웠다. 또 현재 상용화된 3D 프린터는 해상도가 매우 낮아 전자회로 제작이 불가능하며, 전자 재료들은 프린팅하기 힘들었다.

본 연구에서는 3D e-jet 프린팅 기술을 활용한 다양한 재료(반도체, 금속, 디스플레이용 발광 물질)들을 인쇄해 복잡한 고해상도 3D 전자회로를 제작했다. 또 이 기술을 웨어러블 전자기기 분야에 적용하는 새로운 연구방향을 제시했다.

2. 연구내용

E-jet 프린팅은 전기장을 이용해 잉크를 토출하는 장치로 기존 잉크젯 프린팅에 비하여 훨씬 높은 해상도를 구현할 수 있다. 이 기술을 통해 이번 연구에서 구현된 3D 구조는 수백 나노미터(㎚) 수준의 해상도를 가진다.

이번 연구에서는 프린팅 공정을 최적화하기 위해 3D e-jet printing 공정에 적합한 노즐을 설계하고 제작했다. 이 시스템을 이용해 다양한 잉크(금속, 반도체, 디스플레이용 발광 재료)의 3D 프린팅 공정 조건을 최적화해 복잡한 형상의 3차원 미세구조를 출력했다. 이 기술은 기존 3D 프린팅 장비보다 50배 이상 향상된 해상도를 나타냈다.

이러한 기술을 기반으로 3차원 미세구조의 전극배선(interconnect)을 인쇄해 유연하고 신축성 있는 전자회로를 제작했다. 또 크게 변형(strain)돼도 잘 견딜 수 있는 3차원 구조 덕분에 전자회로의 유연성 및 신축성을 극대화할 수 있었다.

이 기술은 고온 공정이 필요한 기존의 3D 프린터와 달리 상온에서 작동한다는 특징이 있다. 따라서 100℃ 정도에도 쉽고 녹는 플라스틱 기판들을 사용할 수 있고, 굴곡진 평면 위에서도 3차원 전자회로들을 인쇄할 수 있다. 섬유나 플라스틱 기판 위에 3차원 전자회로를 인쇄해 피부에 부착 가능한 웨어러블 전자회로도 제작 가능하다.

3. 기대효과

이번 연구에서 개발된 3D e-jet 프린팅 기술은 기존 노광공정으로는 구현하기 어려웠던 3D 패턴을 고해상도로 제작 가능하다. 이를 기반으로 단 한 번의 프린팅 공정을 통해 다양한 디자인의 3차원 구조의 전자회로를 만들 수 있다. 이는 차세대 전자기기 연구 주제인 유연․신축 전자회로 분야에 무한한 가능성을 열어줄 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)

독일의 Wiley-VCH사에서 창간한 과학 학술지로서, 2015년 현재 인용지수(Impact factor) 15.409으로 신소재 분야 최고 권위지이다. 

2. Electrohydrodynamic inkjet (e-jet) printing 

전기장을 이용한 잉크젯 방법이다. 기존 잉크젯 방법에 비해 고점도의 잉크를 이용해 인쇄할 수 있고, 고해상도 프린팅이 가능하다. 노즐과 기판 사이의 전기장을 이용해 잉크를 토출시킨다.

3. 3D 프린터의 해상도 

해상도는 이미지의 선명한 정도를 나타내는 말이다. 단위로는 1인치당 몇 개의 픽셀로 이뤄졌는지 나타내는 ppi(pixel per inch), 1인치당 몇 개의 점으로 이뤄졌는지 나타내는 dpi(dot per inch)를 주로 사용한다. 픽셀 또는 도트의 수가 많을수록 고해상도의 정밀한 이미지를 표현할 수 있다.

프린터의 해상도는 한번에 인쇄할 수 있는 가장 작은 크기의 무늬를 뜻한다. 가장 작게 인쇄할 수 있는 점의 크기나 선폭이 프린터의 해상도를 결정한다. 이번에 구현된 3D 프린터는 최고 600㎚ 정도의 해상도를 구현할 수 있다. 이는 3D 프린터의 잉크 한 방울의 크기가 600㎚임을 의미한다.

[붙임] 그림설명