사람들이 생각하는 완벽한 인쇄전자 기법
(AI타임스=김영하 기자) 인쇄전자에서 필수 단계였던 화학품 세정, 경화 공정, 베이킹 공정 등의 과정을 생략하고 직접 인쇄할 수 있는 기법이 개발됐다. 즉 일반적으로 생각하는 인쇄전자의 개념이 최초로 구현된 것이다.
최근 발행된 ACS Nano 저널에 따르면, 듀크대 전기공학자들은 예민하고 정밀한 전자제품에 대해 일명, ‘Fully Printed-in-Place Technique’ 이라는 완전한 인쇄공법을 고안해냈다.
이 공법은 종이와 사람 피부 등 섬세한 표면에서 직접 작업할 수 있을 정도로 인쇄 분야에서 획기적인 인쇄 공법으로 평가받는다. 사람의 신체상태를 체크해주는 생체 감지기 (Biosensors)가 적용되어 있는 '임베디드 전자문신(Embedded Electronic Tattoos)' 및 '붕대 등의 봉합 물질 (Bandages)'에 적용 가능할 것으로 보인다.
듀크대학교의 애런 프랭클린 (Aaron Franklin), 제임스 빈센트 (James Vincent), 엘리자베스 빈센트 (Elizabeth Vincent) 컴퓨터 엔지니어링 부교수는 "사람들이 인쇄전자 하면 떠올리는 내용들이, 기판(Substrate) 위에 회로를 설계한 후 인쇄하는 것이다. 향후에는 모든 기능을 갖춘 전자 회로를 제거하는 것 까지 기대한다"고 언급했다.
이어 "수년에 걸쳐 '완전히 인쇄된 전자제품' (Fully Printed Electronics)을 약속하는 연구 논문들이 많이 있었지만, 현실적으로 진행되었던 과정들은 샘플을 베이킹 처리를 여러 번 진행하거나, 세정 혹은 표면 스핀 코트 처리하는 것 뿐이었다"라고 지적했다.
대중이 생각하는 인쇄전자라는 것을 구현하는 것은 금번 듀크대학교에서 발표한 것이 처음이라는것이 업계 설명이다.
신체상태를 체크해줄 수 있는 전자 문신 (Electric Tattoos)의 개념은 노스웨스턴 존 로저스 (John Rogers)교수가 2000년대 후반 일리노이 대학교 재직 시절 처음 발표했다.
당시 로저스 교수가 발표한 전자 문신은 피부에 영구적으로 주입되는 문신이라기보다는 피부와 비슷한 고무 소재에 전기적 기능을 구현하여 필름 형태의 얇은 패치 타입이었다. 이 얇은 필름 패치는 심장 활동과 뇌 활동 모니터링 (Heart and Brain Activity Monitors) 및 근육 자극 (Muscle Stimulators)을 위해 고안되었으며, 문신처럼 일시적으로 피부에 부착됐다.
이러한 형태의 제품은 상용화 및 대량 생산에는 적합했지만, 대량 생산되는 제품 외 기타 적용되어야 하는 분야에서는 맞춤 전자 장치를 표면에 직접 개조해야 하는 등의 애로사항이 있었다.
듀크대학교 프랭클린 교수의 연구팀과 동료 화학 교수인 벤자민 와일리 (Benjamin Wiley) 교수 연구팀은 지난 7월 논문에서 에어로졸 프린터를 이용해 저온 상태에서의 어떠한 기질에도 인쇄될 수 있는 은 나노와이어 (Silver Nanowires)를 함유한 새로운 잉크를 개발했으며 이를 통해 베이킹, 경화 등의 추가 공정 없이 전도성을 유지할 수 있었다. 인쇄 후 잉크는 2분 이내에 건조되며 50%의 벤딩 변형 테스트 (Bending Strain)를 1,000회 이상 견디며 높은 전기적 성능을 유지했다.
첫 번째 논문에 첨부된 비디오에서 대학원생 닉 윌리엄스 (Nick Willams)는 분홍색 손가락의 아래쪽을 따라 전자적 성질을 가진 두 개의 리드 (Leads)를 인쇄한 후, 손가락 끝 부분 쪽에 리드를 작은 LED 조명에 연결했다. 그런 다음 인쇄된 두 개의 리드의 바닥에 전압을 가하여 손가락을 구부리고 움직이는 동안에도 LED가 계속 켜지게 했다.
두 번째 논문에서 프랭클린과 그의 대학원생 시흥루 (Shiheng Lu)는 전도성 잉크를 한 걸음 발전 시켜, 인쇄 가능한 두 구성요소를 결합하여 기능성 트랜지스터를 개발했다. 공정 시 프린터는 탄소 나노튜브 (Carbon Nanotubes)의 반도체 스트립을 올려놓은 후, 반도체 스트립 (Semiconducting Strip) 건조 후 프린터에서 플라스틱이나 종이 기판을 제거하지 않고 두 개의 은나노 와이어리드를 몇 센티미터 조금 더 길게 인쇄했다.
그 다음으로 육방정 질화 붕소 (Hexagonal Boron Nitride) 소재의 부전도성 유전층 (Non-conducting Dielectric Layer)을 원래의 반도체 스트립 위에 프린팅 한 후, 은나노 와이어리드를 트랜지스터 게이트(Gate)로서 역활을 하게 했다.
기존 방식으로는 이와 같은 작업 시 화학 세정 (Chemical Bath: 물질 세척, 헹굼 공정), 경화공정 (Hardening Process: 층들의 혼합 방지), 추가 베이킹 공정 (Extended Bake: 유기물질의 흔적 제거 공정) 과 같은 추가 공정 작업에는 기판 제거가 필요 했었다. 그러나 금번에 고안된 프랭클린의 인쇄방식은 이러한 단계를 전혀 필요로 하지 않으며, 재료 혼합을 피하기 위해 각 층이 완전히 마를 필요가 있음에도 불구하고, 현재까지 보고된 최저 처리 온도에서도 제작될 수 있다.
프랭클린은 “아무도 질화 붕소와 같은 에어로졸 잉크가 최소1시간 30분이상의 베이킹 공정없이 전자적 성능을 발휘하는 것을 상상하지 못했을 것이다."며 "단지 전자적 성능을 발휘하는 것 뿐만아니다. 2시간의 베이킹 공정을 마친 제품과 성능적으로도 차이가 없었다. 이러한 부분이 완벽한 인쇄전자 공정을 구현했다는 자부심을 가지게 한다고 한다.”라고 말했다.
이어 “금번 개발된 인쇄 방식이 웨어러블 전자제품과 같이 대규모 제조 공정을 대체하는 것q 보다는 사이즈의 다양화가 필요한 시제품 양산 등 에 잠재적 가치가 있다” 라고 덧붙였다.
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