3D 나노 프린팅 기술 선점과 더불어 인쇄전자 분야에 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대된다.
미래창조과학부 산하한국전기연구원(KERI·원장 박경엽)의 설승권 박사팀(나노융합기술연구센터)은 자체 정부출연금사업을 통해 미래형 전자소자 핵심소재인 그래핀으로 다양한 형태의 3차원 나노구조체를 제작할 수 있는 3D 나노프린팅 기술을 개발하는데 성공했다.
나노미터(nm, 1nm=10억분의 1m) 수준의 그래핀 3D 구조체를 다양한 형태로 프린팅하는데 성공한 것은 이번이 처음이다.
이번에 개발된 그래핀 3D 나노프린팅 기술은 미래형 웨어러블 스마트 기기를 생산하는데 적합한 인쇄전자(printed electronics) 분야 발전에 혁신을 가져올 수 있는 기술로 관련 외신들은 주목하고 있다.
차세대 그래핀 기반 유연 소자의 구현을 위해서는 대면적으로 나노미터 크기의 그래핀 3차원 구조체를 원하는 위치에 제작할 수 있는 3차원(3D) 패터닝 기술이 필수적이다.
이에 KERI 연구팀은 기존 상용화된 3D 프린터로는 제작할 수 없는, 나노미터 단위의 구조체 제작과 새로운 프린팅 기술을 개발을 위해 초정밀하게 노즐(nozzle)을 제어(제어정밀도: ~250nm)할 수 있고, 초미세 프린팅 과정을 실시간 고해상도(~500nm) 영상으로 관찰할 수 있는 기능이 탑재된 3D 나노프린터를 자체 기술로 개발하는데 성공했다.
이 기술을 이용하면 초미세 노즐(nozzle)과 잉크 역할을 하는 ‘산화 그래핀(graphene oxide)’ 용액을 활용해 나노미터급의 극미세 3차원 나노구조체를 간단한 공정으로 제작할 수 있다.
이렇게 제작된 3차원 나노구조체는 평균 150마이크로미터(㎛·100만분의 1ｍ)인 머리카락의 굵기에 비해 수백배 작은 크기다.
연구팀은 이를 가능하게 하기 위해 메니스커스(meniscus) 현상을 이용했다. 메니스커스는 표면에 있는 물방울 등을 일정 압력으로 지그시 누르거나 당기면 모세관 현상에 의해 물방울이 터지지 않으면서 외벽에 곡면이 형성되는 현상을 말한다.
자체 개발한 3D 프린터로 그래핀 나노구조체를 인쇄하기 위해서는 우선 그래핀 용액을 노즐과 프린팅을 할 기판에 사이에 접촉시켜 잉크의 메니스커스를 형성시킨다.
이후 노즐에서 잉크를 분사하면 산화그래핀이 메니스커스를 통로로 삼아 뿜어져 나오게 된다. 이 때, 잉크의 메니스커스 표면에서 물(용매)이 증발하고, 그로 인해 산화그래핀 사이에는 반데르발스 힘(분자내 강한 인력)이 작용하여 산화그래핀이 서로 결합하게 된다.
노즐을 이동하면서 이러한 과정을 연속 진행하면 그래핀이 쌓여진 3D 나노구조물이 만들어지게 된다. 마지막으로 이렇게 적층된 3D 산화그래핀 나노구조체를 열적 혹은 화학적으로 처리하여 환원시키면 바로 전기가 통하는 그래핀 나노구조체가 제작되는 것이다.
KERI 연구팀이 개발한 나노 프린팅 기술은 노즐을 움직이는 속도에 차이를 줌으로써 잉크의 메니스커스 크기를 제어하거나 산화그래핀이 나오는 경로를 한정함으로써 노즐의 구멍(1.3 μm. 마이크로미터) 보다 더 작은 나노미터급의 구조체를 제작할 수 있다.
즉 동일한 노즐에서도 다양한 크기의 그래핀 나노구조체를 제작할 수 있다는 의미다. 기존 프린팅 기술에서는 노즐의 구멍 크기에 따라 제작할 수 있는 구조체의 크기가 한정되는 근본적인 문제를 해결한 것이다.
