잉크젯 프린팅 그래핀: 3D 프린팅 전자소자의 미래

노팅엄 대학교 연구자들은 3D 프린팅으로 빛을 전기로 변환하는 능력 같은 유용한 특성을 가진 새로운 전자소자를 잉크로 만드는 난제를 해결했습니다. 그들의 연구는 그래핀 같은 2차원 물질의 미세 플레이크를 포함하는 잉크를 분사하여 이 복잡한 맞춤형 구조의 서로 다른 층을 쌓고 메싱(meshing)할 수 있음을 보여줍니다.

양자역학 모델링을 사용하여 연구자들은 전자가 2D 물질 층을 통해 어떻게 움직이는지도 정확히 파악하여 미래에 소자를 어떻게 수정할 수 있는지 완전히 이해했습니다.

종종 '슈퍼 소재'로 묘사되는 그래핀은 2004년 처음 만들어졌습니다. 강철보다 강하고, 고도로 유연하며, 역대 최고의 전기 전도체 등 많은 독특한 특성을 보입니다. 그래핀 같은 2차원 물질은 보통 탄소 원자 단일 층(평평한 시트에 배열)을 순차적으로 박리하여 만든 후 맞춤형 구조를 생산하는 데 사용됩니다. 그러나 층을 생산하고 결합하여 복잡한 샌드위치형 소재를 만드는 것은 어려웠으며 보통 층을 하나씩 수작업으로 증착하는 힘든 과정을 필요로 했습니다.

"양자물리학의 기본 개념과 최첨단 엔지니어링을 연결함으로써, 우리는 몇 원자 두께이지만 센티미터 너비인 물질 층을 프린팅하여 전기와 빛을 제어하는 복잡한 소자를 만드는 방법을 보였습니다. 양자역학 법칙에 따라 전자가 입자가 아닌 파동으로 행동할 때, 우리는 2D 물질에서 전자가 여러 플레이크 사이를 오가는 복잡한 궤적을 따라 이동함을 발견했습니다. 마치 연못 표면의 겹치는 연잎 사이를 개구리가 뛰어다니는 것처럼 전자가 한 플레이크에서 다른 플레이크로 뛰어다니는 것처럼 보입니다."라고 물리학 및 천문학 학장 Mark Fromhold 교수는 말했습니다.

발견 이후 그래핀 관련 특허 수가 기하급수적으로 증가했습니다. 그러나 그 잠재력을 완전히 활용하려면 확장 가능한 제조 기술이 개발되어야 합니다. 이 새로운 연구는 그래핀 미세 플레이크(수십억 분의 1미터 크기)가 현탁된 잉크를 사용한 적층 제조(3D 프린팅)가 유망한 해결책을 제공함을 보여줍니다. 소자를 만들기 위한 첨단 제조 기술과 그 특성을 측정하는 정교한 방법, 양자파 모델링을 결합함으로써 팀은 잉크젯 프린팅 그래핀이 2D 금속 반도체의 접촉 소재로 단일 층 그래핀을 성공적으로 대체할 수 있는 방법을 정확히 파악했습니다.

"2D 층과 소자가 이전에 3D 프린팅된 적은 있지만, 전자가 그것들을 통해 어떻게 움직이는지 파악하고 결합된 프린팅 층의 잠재적 용도를 입증한 것은 이번이 처음입니다. 우리 결과는 잉크젯 프린팅 그래핀-폴리머 복합체와 다양한 다른 2D 소재에 대한 다양한 응용으로 이어질 수 있습니다. 연구 결과는 새로운 세대의 기능성 광전자 소자를 만드는 데 사용될 수 있습니다. 예를 들어 크고 효율적인 태양전지, 착용자 햇빛이나 움직임으로 구동되는 웨어러블 유연 전자소자, 어쩌면 프린팅된 컴퓨터까지."라고 Dr. Lyudmila Turyanska가 말했습니다.

연구자들은 마이크로 라만 분광법(레이저 스캐닝), 열중량 분석, 새로운 3D orbiSIMS 기기, 전기 측정을 포함한 광범위한 특성화 기술을 사용하여 잉크젯 프린팅 그래핀 폴리머의 상세한 구조적 및 기능적 이해와 열처리(어닐링)가 성능에 미치는 영향을 제공했습니다.

연구의 다음 단계는 플레이크가 배열되고 정렬되는 방식에 영향을 주기 위해 폴리머를 사용하여 플레이크 증착을 더 잘 제어하고 다양한 플레이크 크기의 다른 잉크를 시도하는 것입니다. 연구자들은 또한 소재와 그들이 함께 작동하는 방식에 대한 더 정교한 컴퓨터 시뮬레이션을 개발하고, 프로토타입으로 만드는 소재의 대량 제조 방법을 개발하기를 희망합니다.