(AI타임스 = 윤광제 기자) 웨어러블과 저비용 센서, IoT 어플리케이션 등 기존 전자 제품으로는 적용할 수 있는 제품 시장이 급격히 성장함에 따라, 전자 시장은 새로운 국면에 접어들고 있다.
 
특히 인쇄술에 정보통신기술(ICT)과 나노기술(NT)을 접목해 전자회로 · 소자 · 디스플레이 따위를 만드는 일이 프로토타입 생산에서 단순 양산 단계를 거쳐 이제는 수요와 물량에 따라 만들어지는 맞춤형 생산단계까지 바라볼 단계에 도달했다는 것이 전문가들의 전망이다.
 
이에 따라 맞춤형 생산단계의 조속한 도입을 위해 관련 산업을 육성할 필요성이 대두되고 있다.

먼저 이를 가능케 하는 핵심 요소로 유연성을 가진 전자 제품을 꼽고 있다. 지난 10여 년 동안 유연성을 가진 인쇄전자는 ‘터치 디스플레이, RFID 안테나, 포도당 테스트 스트립, 멤브레인 키보드’ 분야에서 저비용 제조 방식으로 간주돼 왔다.

 
최근, 자동차 회사들은 기존 보유하고 있는 장비와 기술을 사용해, 디자인과 형태를 자유롭게 할 수 있는 IME(input method editor 입력기) 분야에 도전하고 있다. 그 결과 운동선수들은 웨어러블(wearable : 착용할 수 있는) 패치와 스트레처블(stretchable : 신축성 있는) 전자제품을 쟈켓 내부에 부착해 컨디션 체크 및 보온 기능에 적용하고 있다.
 
이는 아직 비용 및 성능에 대한 신뢰도 문제 둥 풀어야 할 과제가 많지만 최근 기존 전자제품과 비교했을 때 유연성을 가진 인쇄전자 시장에 기회가 생겼고 적용 범위, 즉 시장내 확장 가능성이 엄청나게 넓어졌음을 의미한다.
 
◆ 대량 주문 제작 가능
 
인쇄전자는 IoT(Internet of Objects : 사물 간 인터넷 혹은 개체 간 인터넷)와 같은 전자제품에 대량 생산으로 대응할 준비가 돼 있다. 적용 방법을 본다면 실리콘을 통째로 대처하기보다는 툴킷 (Tool Kit)의 일부가 된다는 생각으로 접근하는 것이 좋다.
 

예를 들어 플라스틱이나 강철 포일의 플렉서블(flexible : 구부러지는, 신축성 있는) 마이크로칩은 스마트 포장을 위한 저비용 태그 (Tag)를 가능하게 한다. 일부 의약품의 경우 온도, 습도 또는 이산화탄소 수준이 매우 중요한데, 포장에 통합된 센서와 데이터 처리는 환경 매개변수를 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 또한, 스마트 포장을 통해 제품 품질 향상, 폐기물 감소 및 검사의 단순화에서 가격 조정, 시간, 비용 절감에 이르기까지 다양한 이점을 얻을 수 있다.

 
◆ 전자 제품에도 하이브리드 시스템 적용   
 
향후, 얇은 칩으로 구성된 다층회로기판 (MULTILAYER PRINTED CIRCUIT BOARD)을 통해 유연하고, 부드럽고, 심지어는 신축성이 있는 전자제품을 만들어 내는 플렉시블 하이브리드 전자(FHE, Flexible Hybrid Electronics) 시스템이 구축될 것으로 전망되고 있다.
 
PARC(Palo Alto Research Center : 팰로앨토 연구소)에서는 무산소 대사량 (Anaerobic Metabolism)을 측정할 수 있도록 타액의 젖산(Saliva Lactate)을 지속적으로 모니터링 할 수 있는 마우스피스를 인쇄전자 기술과 접목해 개발하는데 성공했다.
 
이 제품은 운동이나 훈련 활동 중에 착용하도록 설계됐으며, 데이터 통신을 위해 저전력 블루투스 기술(BLE, Bluetooth Low Energy)를 이용해 스마트 와치와 같은 스마트 기기에 타액 양을 전달한다. 이 제품의 또다른 장점은 무선 충전도 가능하다는 점이다. 무선 충전기능도 점점 상용화되겠지만 아직까지는 비교 우위를 점할 수 있는 장점이라 할 수 있다.
 
일반적으로 젖산은 건강과 피로의 중요한 표시다. 훈련과 운동 중 발생하는 침(타액)에 대한 지속적인 모니터링을 가능하게 함으로써, 실시간으로 운동에 최적할 수 있는 상태 유무를 확인 가능하게 하는 것은 분명 혁명에 가깝다. 예컨대 박빙의 실력차를 가진 두 팀에 경기장에 나섰다면 젖산의 체크만으로도 최적의 선수 구성을 조합하게 해서 승리에 한 걸음 더 다가가는 것과 같은 이치이다.
 
이를 가능케 하는 FHE(Flexible Hybrid Electronics) 반자동 제작 공정은 플렉서블 폴리머(Polymer : 중합체) 기판에 3단계 디지털 프린팅 방식으로 진행된다.
첫 번째 공정은 전도체가 교차 인쇄되기 전에 두 트레이가 교차되는 곳에 보호레이어로 인쇄하고, 두 번째 공정에서는 이방 전도성 페이스트 구성 요소 패드가 배치될 부위에 압출 인쇄된다. 그리고 마지막으로 기판에 부품을 놓고 열과 압력을 가해 결합한다.

◆ FHE 로드맵 제시
 
FHE는 대용량 제작이 가능한 시트피드 (Sheet-Fed) 방식 혹은 롤투롤 (Roll-to-roll) 공정에 적합하며, 필 앤 스틱 (Peel-and-stick) 센서라벨이 부착된 고성능 실리콘 전자 부품과 결합되어 헬스, 모니터링, 안전 감시 분야 등에 쓰인다.
 
현재 PARC에서 개발 중인 인쇄 가능한 센서에는 온도 및 압력 센서, 가스와 기타 분석 물질에 대한 화학 센서, 전기화학과 생화학 센서가 포함되며, 이는 인쇄술이 다양한 전자제품과 IoT 기기, 휴대전화의 복잡성에 대한 유연한 개인기기의 중요한 제조기술이 될 가능성을 가지고 있다는 것을 뜻한다.
 
◆ 산적된 과제들
 
소재 개발에는 늘 제작비 문제가 함께 따라온다. 은과 같이 비용이 많이 드는 원소에 대한 대안을 제공하고 함께 잘 작동하는 새로운 재료가 개발이 필요한 상태다. 인쇄된 구리가 하나의 예지만, 다른 재료에 기초한 창의적인 해결책도 마련돼야 한다.
 
스트레쳐블은 물질 과학이 해결해야 할 또 다른 도전이며 이를 해결하는 방법 중 가장 대담한 예측은 마이크로칩을 잉크로 바꿔서 인쇄할 수도 있다는 개념이다. 이것은 복잡한 회로의 신속한 수요에 따른 제작을 가능하게 하는 혁신적인 개념이지만 회로 설계에 대한 새로운 접근방식이 필요함을 말하는 예시이기도 하다.
 
현재 유수의 전문가들은 인쇄된 FHE의 미래에 대해 크든 작든 간에 기기 구조에 지능을 내장하고 있는 사물에 대한 맞춤형 솔루션을 만드는 데 더 가까이 다가갈 것이라고 전망하고 있다. 사용자와의 커뮤니케이션 혹은 안전을 위해 새로운 방식으로 자동차 혹은 우주선 프레임에 내장된 다수의 센서를 보게 될 것으로 예견하기도 한다.
 
이처럼 부드러운 로봇과 보철물은 착용자의 건강을 감시하기 위한 맞춤 스마트 패치와 함께 확장될 가능성이 있는 또 다른 영역임에 확신하고 있다.
 
중요한 것은, 위에서 언급한 요소들의 설계와 제작 공정이 단순화되고 접근 가능하게 돼 새로운 전자 시대의 진보를 위한 요소가 될 것이라는데 이견이 없다는 것이다.