애플리케이션 스포트라이트:3D 프린팅의 이점을 얻을 수 있는 5가지 전자 부품

전자 3D 프린팅은 전자 제조를 발전시키는 핵심 기술 중 하나로 빠르게 자리잡고 있습니다. 현재는 래피드 프로토타이핑을 통해 제품 개발을 가속화하는 데 주로 사용되고 있습니다. 그러나 점점 더 기술이 기능성 전자 부품의 생산으로 이동하는 것을 목격하고 있습니다.

2029년까지 3D 인쇄 전자 제품의 전체 시장은 20억 달러 이상의 가치가 있을 것으로 예상됩니다. 오늘 기사에서는 이러한 성장을 주도하는 트렌드와 일부 애플리케이션을 살펴봅니다.

이 시리즈에서 다루는 다른 애플리케이션을 살펴보십시오.

열 교환기를 위한 3D 프린팅

베어링용 3D 프린팅

자전거 제조를 위한 3D 프린팅

디지털 치과 및 투명 교정기 제조를 위한 3D 프린팅

의료용 임플란트를 위한 3D 프린팅

3D 인쇄 로켓과 우주선 제조의 미래

신발 제조를 위한 3D 프린팅

철도 산업의 3D 프린팅

3D 인쇄 안경

최종 부품 생산을 위한 3D 프린팅

브라켓용 3D 프린팅

터빈 부품용 3D 프린팅

3D 프린팅으로 유압 부품의 성능 향상

3D 프린팅이 원자력 산업의 혁신을 지원하는 방법

신발 제조를 위한 3D 프린팅

전자 산업에서 3D 프린팅의 채택을 주도하는 요인은 무엇입니까?

전자 제품의 수명 주기가 줄어들면서 전자 제품 제조업체는 제품 개발 및 제조를 가속화할 방법을 찾아야 합니다.

현재 프로토타입 및 부품 생산의 대부분은 동아시아에 아웃소싱되고 있습니다. 즉, 유럽과 북미에서 제품을 개발하는 제조업체는 전자 설계를 중국으로 보내야 하고 프로토타입을 다시 받기까지 몇 주를 기다려야 하는 경우가 많습니다.

또한 최소 주문 수량이 제조업체가 필요로 하는 것보다 많기 때문에 테스트 및 검증에 필요한 것보다 더 많은 프로토타입을 구매해야 하는 경우가 많습니다.

이러한 문제를 염두에 두고, 제조업체는 프로토타이핑을 설계 팀과 더 가깝게 할 수 있는 방법을 찾고 있습니다.

이를 달성하는 한 가지 방법은 현지 계약 제조업체를 이용하는 것입니다. 그러나 이것은 지적 재산권(IP) 침해 가능성의 또 다른 문제를 제기합니다. 이상적으로는 제조업체가 자체적으로 프로토타이핑을 수행할 수 있는 솔루션이 필요하며 여기에 전자 3D 프린팅이 필요합니다.

전자 애플리케이션용으로 특별히 개발된 3D 프린터는 전자 제품 회사에서 사용할 수 있기 때문에 주목을 받고 있습니다. 프로토타이핑을 사내로 가져옵니다. 이러한 시스템은 종종 소형 데스크탑 형식으로 제공되므로 제품 개발 부서에 바로 배치할 수 있습니다.

중요하게도, 3D 프린터는 인쇄 회로 기판(PCB), 안테나, 커패시터 및 센서와 같은 전자 부품의 프로토타입을 몇 시간 만에 만들 수 있습니다. 결과적으로 설계 검증이 더 빨라져 더 자주 재설계할 수 있습니다. 또한 전자 제품용 3D 프린팅 시스템을 사내에 유지하면 IP 도난 위험이 낮아집니다.

전자공학 3D 프린팅을 이끄는 또 다른 요인은 첨단 기능에 대한 수요가 증가하면서 전자 부품의 지속적인 진화와 소형화입니다. 비표준의 유연한 전자 장치에 대한 수요가 기하급수적으로 증가하고 있지만 이러한 구성 요소는 기존 기술로 만드는 것이 어려울 수 있기 때문에 3D 프린팅 기술이 수요를 충족할 수 있는 수단을 제공하기 시작했습니다.

인쇄 전자는 새로운 개념이 아닙니다. 잉크젯 및 스크린 인쇄와 같은 2D 인쇄 기술은 이제 몇 년 동안 전자 부품을 제조하는 데 사용되었습니다. 이러한 모든 프로세스는 여전히 잘 작동하지만 한계가 있습니다. 대부분의 2D 프로세스는 2차원으로 인쇄하도록 개발되었습니다. 즉, 평평한 표면에 전자 부품을 제조하는 데만 사용할 수 있습니다.

예를 들어, 기존 PCB 제조에서 엔지니어는 다음과 같이 2D로 설계합니다. 2D로 다양한 PCB 레이어를 제조할 수 있습니다. 그런 다음 여러 층을 다층 3차원 회로 기판에 연결하기 시작하기 위해 드릴링, 프레스 및 도금과 같은 모든 종류의 추가 공정 단계를 완료해야 합니다.

3D 프린팅은 설계 옵션을 확장합니다. , 엔지니어가 비평면 표면에 전체 회로를 인쇄할 수 있다는 점에서.

물론 이 기술은 현재 주로 프로토타이핑에 사용되고 있습니다. 그러나 새롭고 개선된 시스템이 시장에 진입하기 시작했으며 곧 완전한 기능을 갖춘 대량 생산 제품에 3D 인쇄 전자 장치가 사용되는 것을 볼 수 있다는 신호입니다.

3D 인쇄 전자 제품의 주요 응용 프로그램

3D 인쇄 안테나

안테나는 모든 상업용 및 군용 항공기는 물론 위성, UAV 및 지상 터미널에 항상 존재하는 구성요소입니다.

3D 프린팅의 도래는 기존 제조 기술로는 달성할 수 없는 새로운 안테나 설계의 개발로 이어졌습니다. 3D 프린팅을 통해 제조업체는 기존 안테나 모양을 더 적은 무게와 더 낮은 비용으로 생산할 수 있었습니다.

Optisys는 금속 3D 프린팅을 사용하여 경량 안테나의 설계, 제조 및 테스트에 주력하는 회사 중 하나입니다. 안테나를 제조하기 위해 Optisys는 고출력 레이저로 얇은 분말 층을 고체 금속에 용접하는 분말 베드 융합 공정을 사용합니다.

이 용접 과정을 통해 부품은 한 번에 하나의 작은 레이어로 만들어집니다. 이 제조 공정을 통해 필요한 경우에만 재료를 추가하여 주어진 기계적 또는 무선 주파수(RF) 기능을 달성할 수 있습니다.

한 예로 Optisys는 X-band SATCOM 통합 추적이라는 데모 부품을 제작했습니다. 어레이(XSITA) 안테나. 3D 프린팅과 시뮬레이션 소프트웨어를 함께 사용하여 Optisys는 어셈블리의 부품 수를 100개 이상에서 단 1개로 줄일 수 있었습니다. Optisys는 또한 리드 타임이 11개월에서 2개월로 9개월 단축되었으며 생산 비용이 최소 20% 절감되었다고 보고했습니다.

상호 연결

모든 전자 시스템의 본질적인 부분인 상호 연결은 두 개 이상의 회로 요소(예:트랜지스터)를 전기적으로 함께 연결하는 구조입니다.

와이어 본딩과 같은 현재 인터커넥트 제조 방법에는 긴 도체 경로와 깨지기 쉬운 구성 요소에 대한 높은 기계적 응력을 비롯한 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 인터커넥트를 PCB 및 RF 구성 요소 패드에 직접 인쇄하면 잠재적으로 이러한 문제를 해결할 수 있습니다.

Optomec에서 개발한 에어로졸 제트 기술은 와이어 본딩이 필요 없는 3D 표면에 컨포멀 인터커넥트를 인쇄할 수 있는 기술 중 하나입니다.

에어로졸 제트 인쇄는 분무로 시작됩니다. 직경이 1~2 마이크론인 잉크 방울을 생성합니다. 분무된 액적은 가스 흐름에 동반되어 프린트 헤드로 전달됩니다. 그런 다음 프린터는 재료 방울을 고속으로 분사하여 인쇄물에 달라붙게 합니다. 이 공정은 진공 챔버나 압력 챔버를 사용하지 않고 실온에서 진행됩니다.

항공우주 및 방위 기술 회사인 Northrop Grumman의 팀은 이 방법을 사용하여 갈륨 비소(GaAs) 반도체를 생산했습니다. 이 연구에서 연구원들은 GaAs 기반 마이크로파 모놀리식 집적 회로(MMIC)에 유전체 층과 브리지형 금 상호 연결을 3D 인쇄했습니다.

인쇄 후 MMIC 장치는 열 충격, 열 주기 및 전류 스트레스 테스트를 포함한 RF 테스트 및 신뢰성 테스트를 거쳤습니다. 이러한 혹독한 조건에서 살아남은 MMIC는 성능 저하의 징후를 나타내지 않아 3D 인쇄 상호 연결이 실제 시나리오에서 작동할 수 있음을 증명했습니다.

커패시터

에너지와 전하를 저장하기 위해 전자 회로에 사용되는 장치인 커패시터는 3D 인쇄할 수 있는 또 다른 구성 요소입니다.

오늘날의 전통적인 PCB 제조 기술은 커패시터를 PCB에 실장해야 합니다. 그러나 이는 PCB 표면적을 그다지 효율적으로 사용하지 못하게 합니다.

반면에 3D 인쇄를 사용하면 커패시터를 PCB에 바로 인쇄할 수 있으므로 전자 엔지니어가 잠재적으로 시간이 많이 걸리고 복잡한 조립 프로세스를 피하는 동시에 더 작은 회로 기판 공간을 만들 수 있습니다.

다른 이점으로는 더 짧은 회로 경로, 확장된 대역폭, 증가된 신호 속도 및 최소화된 노이즈가 있습니다.

전자 3D 프린터 개발업체인 나노디멘션(Nano Dimension)은 최근 임베디드 3D 프린팅 커패시터 개발에 성공했다고 발표했다. 3D 프린터의 DragonFly 라인에 전력을 공급하는 그들의 기술은 디자인 파일에 지정된 위치를 따라 기판에서 위쪽으로 2개의 재료(하나는 전도성 및 하나는 유전체)를 층으로 증착하는 방식으로 작동합니다.

30개의 서로 다른 3D 인쇄 커패시터 치수를 사용하여 260회 이상의 테스트를 거친 후 이 회사는 구성 요소 간의 편차가 1% 미만인 일관된 결과를 입증했다고 합니다.

Nano Dimension은 자사의 커패시터가 무선 주파수 전송 라인, 오디오 처리, 무선 수신 및 전원 회로 조절에 사용될 수 있다고 말합니다.

이 이정표는 전자 장치의 소형화 및 평면화를 향한 전자 산업 동향과 일치합니다. 분명히 더 작은 커패시터를 생산하는 3D 프린팅의 기능이 확장되어 전자 엔지니어에게 PCB 설계를 최적화하는 새로운 방법을 제공합니다.

무선 주파수 구성요소

나노디멘션의 3D 프린터는 커패시터 외에도 RF 부품을 설계하는 데 사용됩니다. 이들은 데이터, 비디오, 음성 및 기타 정보를 장거리로 전송하는 데 사용되는 모든 전자 시스템의 중요한 요소입니다.

전술 통신, 지리 공간 시스템 및 서비스, 항공전자공학 및 전자전을 전문으로 하는 회사인 Harris Corporation은 DragonFly Pro 2020 3D 프린터를 사용하여 3D 인쇄 RF 증폭기를 개발했습니다.

해리스는 3D 프린팅을 사용하여 10시간 만에 101 x 38mm 두께의 회로를 제조했습니다. Nano Dimensions의 은 나노입자 전도성 및 유전체 잉크를 사용하여 단일 인쇄로 기능적 전기 부품을 만든 다음 구성 요소를 수동으로 PCB에 납땜했습니다.

기존에 제조된 증폭기와 비교할 때 3D 인쇄된 제품은 유사한 RF 성능을 보여 RF 회로용 3D 인쇄 전자 제품의 실행 가능성을 분명히 보여주었습니다.

센서

3D 인쇄 센서는 3D 인쇄 전자 제품의 가장 흥미로운 응용 분야 중 하나입니다. 물리적 환경에서 어떤 유형의 입력을 감지하고 응답할 수 있는 이러한 장치는 자동차의 배기 가스 제어 시스템에서 자동 도어 및 휴대폰에 이르기까지 모든 곳에서 사용됩니다.

생물의학 센서는 3D 프린팅의 이점을 누릴 수 있는 애플리케이션 중 하나입니다. 예를 들어, Georgia Tech와 Emory University의 연구원들은 임상의가 동맥류의 치유를 무선으로 모니터링하고 평가하는 데 잠재적으로 도움이 될 수 있는 3D 인쇄 센서를 개발하고 있습니다.

센서는 에어로졸 제트 3D 프린팅의 도움으로 만들어졌습니다. 이것은 생체 적합성 폴리이미드로 제작된 6개의 층과 유전체 및 연질 폴리머 캡슐화 물질인 은 나노 입자에서 생성된 메쉬 패턴의 2개의 개별 층으로 구성됩니다.

연구팀에 따르면 3D 프린팅은 매우 작은 전자 기능은 단일 단계에서 생성됩니다. 따라서 기존의 다단계 리소그래피 프로세스가 필요하지 않습니다. 이것은 또한 센서를 더 많은 양과 저렴한 비용으로 제조할 수 있음을 의미합니다.

이 기술은 스마트 기기와 전자 3D 프린팅의 결합이 의료를 발전시킬 수 있는 방법을 엿볼 수 있습니다.

의료 애플리케이션 외에도 3D 인쇄 센서를 사용하여 터빈 블레이드의 성능을 모니터링할 수 있습니다. 예를 들어, General Electric은 Optomec의 Aerosol Jet 기술을 사용하여 세라믹 스트레인 센서를 터빈 블레이드에 직접 인쇄하고 있습니다. 이 센서는 비용이 많이 들고 위험한 고장을 방지하기 위해 금속의 피로와 크리프를 감지하는 데 사용됩니다.

3D 인쇄 센서의 사용으로 GE는 10억 달러를 절약했다고 ​​합니다.

터빈 블레이드를 유지 관리하는 것은 비용과 시간이 많이 소요되지만 가스 터빈 구성요소에 센서를 3D 프린팅하면 해당 프로세스를 최적화하는 데 도움이 될 수 있습니다.

3D 프린팅과 센서 기술의 결합은 의료, 에너지 및 항공우주 산업의 광범위한 응용 분야의 문을 열고 있습니다. 이 분야의 연구가 계속됨에 따라 더 작지만 고성능의 모니터링 솔루션에 대한 요구에 힘입어 3D 인쇄 센서의 사용이 증가하는 것을 보게 될 것입니다.

앞으로의 길

3D 인쇄 전자 제품은 젊지만 빠르게 성장하는 3D 인쇄 분야로, 전자 산업의 진화하는 요구에 부응하여 성장하고 있습니다.

현재 전자 3D 프린팅은 신속한 프로토타이핑 솔루션을 제공하지만 전자 제품의 대량 적층 제조를 보기까지는 불과 몇 년이 걸릴 수 있습니다. 기업들은 개선된 생산 가능 시스템을 출시하고 더 나은 성능의 전도성 및 유전체 재료를 개발함으로써 이 비전을 현실로 만들고 있습니다.

예를 들어, Nano Dimension은 최근 새로운 DragonFly Lights-Out 디지털 제조(LDM) 시스템을 공개했습니다. 회사는 이 시스템을 사용하여 기능적인 3D 인쇄 다층 PCB, 커패시터, 코일, 센서 및 안테나를 소량 생산할 수 있다고 말합니다.

하드웨어 측면의 발전은 프로토타이핑을 넘어 전자 3D 프린팅의 잠금을 해제하는 열쇠 중 하나입니다.

3D 인쇄 전자 제품을 위한 응용 프로그램을 개발하기 위해 수행된 연구의 양 또한 흥미롭습니다. 연구원과 기업은 모두 3D 프린팅이 제공하는 새로운 기능과 디자인을 탐구하여 전자 제품 제조의 한계를 뛰어 넘고 있습니다.

전통적인 기계 3D 프린팅의 발자취를 따라가는 전자 3D 프린팅 부문은 앞으로 엄청난 성장을 경험할 것으로 보입니다.