프린티드 일렉트로닉스: 내일을 위한 유연하고 저렴한 혁신

저비용 프린터블 일렉트로닉스 제조

프린터블 일렉트로닉스와 바이오센서 칩을 위한 저비용, 환경친화적 제조 공정 수요가 급증하고 있습니다. NASA는 대기압 플라즈마 기반 공정으로 프린터블 일렉트로닉스와 기능성 코팅을 제조하는 독창적 접근법을 개발했습니다. 이 시스템은 에어로졸 보조 상온 프린팅으로, 증착할 소재를 담은 에어로졸을 대기압에서 작동하는 콜드 플라즈마 제트에 주입합니다.

증착은 전구체 소재를 담은 에어로졸과 1차 가스를 포함한 대기압 플라즈마의 상호작용 결과입니다. 에어로졸 보조 플라즈마 증착은 프린팅과 패터닝을 위한 고처리량의 용이한 공정으로, 산업 생산용으로 쉽게 확장 가능합니다. 다중 제트로 서로 다른 소재 증착 가능, 다양한 플랫폼에 적용 가능.

상업적 응용: 바이오메디컬 기술, 가전, 전자종이, 보안, 통신.

나노튜브 스탬프로 전자회로 '찍어내기'

식품 포장에 부패 임박 디지털 경고 표시, 실외 온습도 측정 기반 일기예보 표시 창문 상상을 현실로. MIT 엔지니어들이 탄소나노튜브로 만든 스탬프로 전자 잉크를 딱딱하고 유연한 표면에 프린팅하는 빠르고 정밀한 공정을 발명했습니다. 고해상도 디스플레이와 터치스크린의 개별 픽셀 제어용 충분히 작은 트랜지스터 프린팅 가능, 다른 전자 표면 제조에도 비교적 저렴하고 빠른 방법 제공.

잉크젯 프린팅 등 기존 기술은 초소형 스케일 제어 어려워 '커피 링' 패턴(잉크 가장자리 넘침)이나 불균일 프린팅으로 회로 단선 유발. 새 기술은 나노다공성 스탬프로 나노입자 용액(잉크)이 스탬프 전체를 균일하게 통과해 표면에 찍히게 합니다.

탄소나노튜브를 실리콘 표면에 벌집형 육각형, 꽃모양 등 다양한 패턴으로 성장시키고 얇은 폴리머 층으로 코팅해 잉크가 나노튜브 전체에 침투하고 스탬핑 후 수축 방지. 스탬프에 은, 산화아연, 반도체 양자점 등 나노입자 함유 전자 잉크 소량 주입.

정밀 고해상도 패턴 프린팅 핵심은 스탬핑 압력과 잉크 내 나노입자 농도. 이를 예측하는 모델 개발. 스탬핑 후 가열하면 프린팅 패턴이 고전도성으로 투명 전극용 고성능 구현. 향후 완전 프린팅 전자소자 구현 추진 예정.

레이저 처리 프린팅 그래핀으로 종이 전자소자 구현

그래핀 탄소 벌집은 단일 원자 두께로 전기와 열 전도, 강도와 안정성 우수. 잉크젯 프린터로 다층 그래핀 회로와 전극 프린팅해 유연, 착용, 저비용 전자소자에 활용. 하지만 프린팅 후 전기 전도도와 소자 성능 향상을 위한 처리가 필요해 보통 고온이나 화학약품 사용, 플라스틱 필름이나 종이 등 유연/일회용 인쇄 표면 열화 문제.

아이오와주립대 연구진이 레이저로 그래핀 처리법 개발. 펄스 레이저 공정으로 잉크젯 프린팅된 다층 그래핀 회로/전극 처리해 종이, 폴리머 등 취약 인쇄 표면 손상 없이 전기 전도도 개선.

잉크젯 프린팅 그래핀 산화물이 전도성 소재로 변환돼 생물학적 센서, 에너지 저장 시스템, 전기 전도 부품, 종이 기반 전자소자 등 신규 응용 가능. 컴퓨터 제어 레이저로 잉크젯 프린팅 그래핀 산화물 선택 조사. 처리 과정에서 잉크 바인더 제거, 그래핀 산화물 환원으로 수백만 개 미세 그래핀 플레이크 물리적 결합. 전기 전도도 1000배 이상 향상. 국소 레이저 처리로 평평한 표면이 3D 나노구조(표면에서 올라온 작은 꽃잎 형상)로 변형, 거친 능선 구조가 전기화학적 반응성 높여 화학/생물 센서에 유용.

저비용 일회용 그래핀 기반 전기화학 전극 창출로 센서, 바이오센서, 연료전지, 의료기기 응용 길 열림.

자기 잉크로 '프린팅'되는 전자소자

UCSD 엔지니어들이 자기 잉크 개발로 자가 치유 배터리, 전기화학 센서, 착용형 섬유 기반 전기회로 제작 가능. 잉크는 자기장으로 특정 배향된 미세입자로 구성, 찢어진 양쪽 입자가 자석처럼 끌어당겨 3mm 폭 찢김도 자가 치유.

기존 자가 치유 소재는 외부 트리거 필요, 수분~수일 소요. 새 시스템은 외부 촉매 불필요, 약 0.05초 내 복구. 배터리, 센서, 착용형 회로 프린팅 후 절단/분리해 간격 확대해도 자가 치유되며 전도도 최소 손실로 기능 회복.

티셔츠 소매에 자가 치유 회로 프린팅해 LED와 코인 배터리 연결. 회로와 직물 동시 절단 시 LED 소등, 수초 내 양측 회로 결합되며 자가 치유돼 전도도 복원, LED 재점등. 향후 다양한 성분 잉크로 폭넓은 응용 예정.

참고자료

www.nasa.gov/centers/ames

www.techbriefs.com/tv/magnetic_ink

https://news.mit.edu

https://www.news.iastate.edu/news