인쇄전자:미래를 위한 유연하고 저렴한 혁신

저비용 인쇄 가능 전자제품 제조

인쇄 가능한 전자 장치 및 바이오센서 칩을 제조하기 위한 저비용의 환경 친화적인 프로세스에 대한 필요성이 급속히 증가하고 있습니다. NASA는 인쇄 가능한 전자 장치 및 기능성 코팅을 제조하기 위한 대기압 플라즈마 기반 프로세스에 대한 독특한 접근 방식을 개발했습니다. 이 시스템에는 증착에 필요한 재료를 운반하는 에어로졸이 대기압에서 작동되는 저온 플라즈마 제트에 도입되는 에어로졸 보조 실온 인쇄가 포함됩니다.

MIT 연구원들은 단단하고 유연한 표면에 전자 잉크를 인쇄하는 탄소 나노튜브로 만든 스탬프를 제작했습니다. (김산하, 다누쉬코디 마리아판)

증착은 전구체 물질을 함유한 에어로졸과 1차 가스를 함유한 대기압 플라즈마의 상호작용의 결과입니다. 에어로졸을 이용한 플라즈마 증착은 산업 생산을 위해 쉽게 확장할 수 있는 인쇄 및 패터닝을 위한 높은 처리량과 손쉬운 프로세스입니다. 다양한 재료를 증착하는 데 여러 제트를 사용할 수 있으며 접근 방식을 다양한 플랫폼에 적용할 수 있습니다.

이 시스템의 상용 응용 분야에는 생체 의학 기술, 가전 제품, 전자 종이, 보안 및 통신이 포함됩니다.

나노튜브를 이용한 전자제품 "스탬핑"

아이오와 주립대 연구원인 Suprem Das(왼쪽)와 Jonathan Claussen은 종이에 인쇄된 것과 같은 인쇄된 그래핀 전자 장치를 처리하기 위해 레이저를 사용하고 있습니다. (크리스토퍼 개넌)

음식이 곧 상할 것이라는 디지털 경고를 표시하는 식품 포장이나 외부 온도 및 습도 측정값을 바탕으로 일기 예보를 표시하는 집 창문을 상상해 보세요.

MIT의 엔지니어들은 이러한 전자 표면을 가능하게 하는 빠르고 정확한 인쇄 프로세스를 발명했습니다. 연구팀은 단단하고 유연한 표면에 전자 잉크를 인쇄할 수 있는 탄소 나노튜브로 만든 스탬프를 개발했습니다. 이 공정은 고해상도 디스플레이와 터치스크린의 개별 픽셀을 제어할 수 있을 만큼 작은 트랜지스터를 인쇄할 수 있어야 합니다. 또한 이 공정은 다른 전자 표면을 제조하는 상대적으로 저렴하고 빠른 방법을 제공할 수도 있습니다.

잉크젯 인쇄와 같은 기술은 매우 작은 규모에서는 제어하기 어렵기 때문에 잉크가 경계선 위로 쏟아지는 "커피 링" 패턴이나 불완전한 회로로 이어질 수 있는 고르지 못한 인쇄를 생성하는 경향이 있습니다. 새로운 기술은 나노입자 또는 "잉크"의 용액이 스탬프를 통해 인쇄할 표면에 균일하게 흐르도록 하는 나노다공성 스탬프를 사용합니다.

탄소나노튜브는 벌집 모양의 육각형, 꽃 모양 등 다양한 패턴으로 실리콘 표면에 성장한다. 나노튜브는 얇은 폴리머 층으로 코팅되어 잉크가 나노튜브 전체에 침투하고 잉크가 찍힌 후에 나노튜브가 수축되지 않도록 합니다. 그런 다음 은, 산화아연 또는 반도체 양자점과 같은 나노입자가 포함된 소량의 전자 잉크를 스탬프에 주입합니다.

정밀한 고해상도 패턴 인쇄의 핵심은 잉크를 찍을 때 적용되는 압력의 양에 있습니다. 균일한 잉크 층을 기판에 찍는 데 필요한 힘의 양과 잉크 내 나노입자의 농도를 예측하기 위한 모델이 개발되었습니다. 다양한 디자인의 잉크 패턴을 스탬핑한 후, 팀은 인쇄된 패턴의 전기 전도성을 테스트했습니다. 스탬핑 후 디자인을 가열한 후 인쇄된 패턴은 전도성이 높아 고성능 투명 전극 역할을 할 수 있었습니다. 앞으로 팀은 완전 인쇄 전자 장치의 가능성을 추구할 계획입니다.

레이저로 처리된 인쇄된 그래핀으로 종이 전자공학 구현

티셔츠 소매에 인쇄된 자가 치유 회로를 LED 조명 및 코인 배터리와 연결했습니다. 회로와 인쇄된 직물이 모두 절단되어 LED가 꺼졌습니다. 몇 초 내에 회로의 양면이 다시 결합하여 스스로 치유되면서 LED가 다시 켜졌습니다.

그래핀 탄소 벌집은 원자 두께에 불과하고 전기와 열을 전도하며 강하고 안정적입니다. 다층 그래핀 회로와 전극을 인쇄하기 위해 잉크젯 프린터를 사용한 최근 프로젝트는 그래핀을 유연하고 착용 가능하며 저렴한 전자 장치에 사용하도록 이끌었습니다. 그러나 일단 인쇄되면 전기 전도성과 장치 성능을 개선하기 위해 그래핀을 처리해야 합니다. 이는 일반적으로 플라스틱 필름이나 종이와 같은 유연하거나 일회용 인쇄 표면을 저하시킬 수 있는 고온이나 화학 물질을 의미합니다.

아이오와 주립대학교 연구진은 레이저를 사용하여 그래핀을 처리하는 방법을 개발했습니다. 펄스 레이저 공정으로 잉크젯 인쇄된 다층 그래핀 전기 회로 및 전극을 처리함으로써 종이, 폴리머 또는 기타 깨지기 쉬운 인쇄 표면을 손상시키지 않고 전기 전도도가 향상되었습니다.

잉크젯으로 인쇄된 그래핀은 생물학적 용도의 센서, 에너지 저장 시스템, 전기 전도성 부품 및 종이 기반 전자 장치와 같은 새로운 응용 분야에 사용할 수 있는 전도성 재료로 변환됩니다.

엔지니어들은 잉크젯으로 인쇄된 그래핀 산화물을 선택적으로 조사하는 컴퓨터 제어 레이저 기술을 개발했습니다. 이 처리법은 잉크 바인더를 제거하고 산화 그래핀을 그래핀으로 환원시켜 수백만 개의 작은 그래핀 조각을 물리적으로 연결합니다. 이 공정을 통해 전기 전도성이 1000배 이상 향상됩니다. 또한 국부적인 레이저 처리는 인쇄된 그래핀의 모양과 구조를 평평한 표면에서 표면에서 솟아오르는 작은 꽃잎과 유사한 융기된 3D 나노구조로 변경합니다. 거칠고 능선이 있는 구조는 그래핀의 전기화학적 반응성을 높여 화학 및 생물학적 센서에 유용합니다.

이 연구는 센서, 바이오센서, 연료 전지 및 의료 기기를 포함한 응용 분야를 위한 저렴한 일회용 그래핀 기반 전기화학 전극을 만드는 길을 열었습니다.

자기 잉크로 "인쇄된" 전자 장치

캘리포니아 대학교 샌디에이고(UCSD) 엔지니어들은 자가 치유 배터리, 전기 화학 센서, 착용 가능한 직물 기반 전기 회로를 만드는 데 사용할 수 있는 자기 잉크를 개발했습니다. 잉크는 눈물 양면의 입자가 자기적으로 서로 끌어당겨 잉크로 인쇄된 장치가 스스로 치유되도록 하는 자기장에 의해 특정 구성으로 배향된 미세 입자로 만들어집니다. 이 장치는 최대 3mm까지 찢어진 부분을 수리합니다.

기존 자가 치유 재료는 치유 과정을 시작하기 위해 외부 트리거가 필요합니다. 또한 작업하는 데 몇 분에서 며칠이 걸립니다. 새로운 시스템은 작동하는 데 외부 촉매가 필요하지 않으며 손상은 약 0.05초 내에 복구됩니다.

이 잉크는 배터리, 전기화학 센서, 웨어러블 섬유 기반 전기 회로를 인쇄하는 데 사용되었습니다. 그런 다음 장치를 절단하고 잡아당겨 점점 더 넓은 간격을 만들어 손상을 입혔습니다. 장치는 최소한의 전도성을 잃으면서도 스스로 치유되고 기능을 회복했습니다.

자가 치유 회로를 티셔츠 소매에 인쇄하고 LED 조명 및 코인 배터리와 연결했습니다. 회로와 인쇄된 천이 모두 절단되었습니다. 그 순간 LED가 꺼졌습니다. 몇 초 내에 회로의 양면이 다시 합쳐지고 스스로 치유되어 전도성이 회복되면서 LED가 다시 켜지기 시작했습니다. 앞으로 엔지니어들은 다양한 용도에 맞게 다양한 재료를 사용하여 다양한 잉크를 만드는 것을 구상하고 있습니다.

리소스

www.nasa.gov/centers/ames 

www.techbriefs.com/tv/magnetic_ink

http://news.mit.edu 

http://www.news.iastate.edu/news