새로운 인쇄기술(1) "인쇄 전자, 모든 종류의 표면에 회로 인쇄"

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-03-28 23:08:08
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(3분 50초 읽기)
- "인쇄 전자"는 잉크와 특수 프린터를 사용해 모든 종류의 문서에 회로를 적용할 수 있는 기술
- 머리카락 지름보다 작은 10㎛(마이크로미터) 범위의 정확도로 인쇄
- 새로운 인듐-주석 산화물 사용

프린터의 전자 장치
새로운 인쇄 기술이 맞춤형 회로 및 금속을 가능케 하는 방법

전자 제품은 점점 더 다양해지고 유연해지고 있다.
이러한 구성 요소의 생산도 이에 맞게 조정되어야 한다. 이에 대한 새롭고 유망한 접근 방식은 프린터의 전자 제품 및 맞춤형 금속 합금이다.
EMPA(Federal Materials Testing and Research Institute)의 과학자들은 이러한 기술자와 함께 작동하는 것과 방법을 연구하고 있다. 

 

▲ 전자 회로이든 금속 합금이든 특수 프린터를 사용해 생산할 수 있다.


모든 표면에 전자 제품을 인쇄 할 수 있으면 어떨까?

이것은 오늘날 더 유토피아가 아니다.
"인쇄 전자"는 잉크와 특수 프린터를 사용해 모든 종류의 문서에 회로를 적용할 수 있는 새로운 기술이다. 3D 레이저 프린팅으로 더 많은 것이 가능하다. 레이저의 표적 조작을 통해 비금속에서 자성 및 비자성 합금을 생성할 수 있다.
따라서 이러한 기술은 하이테크 응용 분야뿐만 아니라 일상적인 전자 제품을 위한 구성 요소를 보다 효과적이고 쉽게 생산할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

인쇄 회로
유연한 전자 제품 시장이 성장하고 있다.


전통적으로 전자 제품 제조는 고가의 장비를 필요로 하는 어려운 작업이었다.
사물 인터넷에는 새로운 유형의 전자 장치가 필요하다. 즉 회로는 가능한 한 작고 빠르지 않아도 되지만 저렴하고 간단하게 제조할 수 있어야 한다.
동시에 얇고 유연하게 할 수 있는 도선을 현실화시키는 것도 가능해야 한다.

 

▲ 트랜지스터 용 인쇄된 은(silver) 전극. © Empa


예를 들어 제품 포장의 RFID가 여기에 포함된다.
내용물을 더 먹을 수 없는 유효기간을 나타내는 우유 상자의 간단한 센서 또는 콜드 체인이 중단됐는지 나타내는 냉동 제품에 대한 애플리케이션도 미래에 고려할 수 있다.
그리고 티셔츠에 부착된 태양 전지, 센서가 있는 접착식 문신 또는 "두루마리" 스피커가 이미 개발되고 있다.

이를 위한 시장은 작지 않다.
유기 및 인쇄 전자 산업 협회의 새로운 보고서에 따르면 이 분야는 이미 350억 달러 이상의 세계 시장으로 발전했으며, 앞으로 몇 년내에 계속해서 강하게 성장할 것으로 예상된다.

종이와 호일의 트랜지스터

기능성고분자연구소의 야콥 하이어(Jakob Heier)와 Eidgenössische Materialprüfungs-und Forschungsanstalt Empa의 박막 및 광전지 연구소의 야로슬라브 로마뉴크(Yaroslav Romanyuk)는 기술 발전을 위해 팀과 함께 연구하고 있다.
Paul Scherrer Institute 및 EPFL Lausanne의 연구원들과 함께 그들은 FOXIP 연구 프로젝트를 진행하고 있다. 이 FOXIP는 Functional OXID Printed on Polymers and Paper의 약자다.

이 프로젝트의 목표는 산업에서 사용하기에 적합한 인쇄 기술로 종이와 PET호일에 박막 트랜지스터를 인쇄하는 것이다. 이를 위해 금속 산화물의 작은 입자가 용해된 잉크가 사용된다.

이들은 접촉 인쇄 또는 잉크젯 프린터와 같은 다양한 인쇄 기술을 사용하여 기판에 적용한다. Romanyuk은 “물론 일반 사무용 프린터가 아니라 고도로 특수화된 장치를 사용한다”고 설명했다. 이러한 압력 장치는 이미 Empa의 코팅 역량 센터에 있다.

과제는 무엇일까?

그러나 유연한 기판에 회로를 안정적으로 인쇄하려면 먼저 기판 자체 최적화부터 잉크 구성 및 인쇄 기술의 정확성, 열 경화에 이르기까지 종이 또는 필름 손상없이 여러 가지 문제를 먼저 해결해야 한다.

첫 번째 문제는 인쇄 기판이다.
예를 들어 종이 또는 플라스틱 필름과 같은 유연성이 있으며 기존 전자 부품의 제조에 사용되는 실리콘 웨이퍼의 경우처럼 표면이 완전히 매끄럽지 않다. 이로 인해 회로 제작에 필요한 정밀도를 달성하기가 훨씬 더 어려워진다.


▲ 종이 또는 폴리머와 같은 유연한 기판에 전자 부품을 인쇄하려면 특수 인쇄 장치가 필요하다. © Empa

따라서 현재 인쇄 전자 제품의 구성 요소는 기존 제조 공정을 사용하여 생산된 마이크로 전자 제품보다 약 1천 배 더 크다. "그러나 이것이 회로가 거대하다는 것을 의미하지는 않는다. 인쇄할 때 우리는 머리카락 지름보다 작은 10㎛(마이크로미터) 범위의 정확도에 대해 이야기하고 있다"고 하이어(Heier)는 설명했다.

 

전자 잉크

인쇄 유체는 어떻게 전도체 요소가 될까?

 

인쇄 전자 제품의 또 다른 주요 과제는 회로 구성에 필요한 전도성, 반도체 및 절연 재료를 잉크 형태로 만드는 방법과 인쇄 공정 후 원하는 특성을 가진 연속 재료를 다시 만드는 방법이다.

 

그래핀 : 바인더의 문제

 

Jakob Heier는 이러한 특수 잉크가 어떻게 만들지 연구하고 있다.

잉크는 기능성 물질의 작은 입자로 구성되고 다른 한편으로는 도포 후 자체적으로 증발하는 용매로 구성된다. 종종 이 두 가지 구성 요소로는 충분하지 않다.

잉크가 안정적으로 유지되고 인쇄가 가능하도록 추가 바인더와 첨가제를 추가해야 한다.

 

▲ Empa의 코팅 역량 센터는 고도로 전문화된 인쇄 장치가 잉크에 용해된 입자를 표면에 적용한다. © Empa

 

이것이 문제다. 적용 후 레이어에 남아 있으면 원하는 회로의 기능을 방해한다.

그래서 그들은 소각되어야 한다. 이를 위해서는 상대적으로 높은 온도가 필요하다.

그리고 차례로 전자 제품이 인쇄되는 종이나 필름을 손상시킬 수 있다.

 

Heier와 그의 팀은 그래핀 입자와 용제만 사용하는 그래핀 레이어용 인쇄 가능한 잉크를 개발하는 작업을 진행 중이다. , 연소시켜야 하는 첨가제가 없다. 인쇄된 레이어는 캐리어 재료와 인쇄된 레이어가 구부러지거나 꼬여 있는지 여부에 관계없이 동일한 전도성 특성을 유지할 수 있도록 매우 안정적이어야 한다.

 

"이것이 성공한다면, 우리는 플라스틱이나 종이에 인쇄하는 데 큰 발걸음을 내딛게 된다. 적어도 도체 트랙을 인쇄하는 데 더이상 고온에서 후처리가 필요하지 않다"Heier는 설명했다.

 



금속 산화물 : 잠재력이 많은 입자

 

금속 산화물 나노 입자 기반 잉크와는 다르다.

금속 산화물은 인쇄 전자 제품을 위한 유망한 재료다. 전도성, 반도체 성 또는 절연성일 수 있다. 유기 재료를 기반으로 한 잉크에 비해 산화물 재료는 전자의 이동성이 높기 때문에 인쇄 전자 회로 소자의 성능을 향상시킬 수 있는 잠재력이 있다.

동시에 산화물 물질은 공기와 접촉 할 때 더 안정적이다. "인듐 주석 산화물은 특히 흥미롭다. 동시에 전도성이 높고 투명하다"고 로마니우크(Romanyuk)는 설명했다.

 

번개와 관련

 

그러나 인쇄 후 잉크에 용해된 개별 입자를 서로 연결하여 기능성 층을 얻기 위해서는 소결이 필요하다(인쇄된 층의 열처리). 사용된 종이와 호일은 모두 온도에 매우 민감하다. 이상적으로는 금속 산화물층만 가열해야 하지만 기판은 차갑게 유지해야 한다.

 

Romanyuk"우리는 플래시 소결이라는 방법을 사용한다고 설명했다.

인쇄된 층은 매우 짧은 플래시로 가열되므로 기판 재료가 동시에 가열되지 않는다.

이 팀은 최근 잉크젯 프린터를 사용하여 산화물 기반 전계 효과 트랜지스터를 인쇄하는 데 성공했다. 이로 인해 향후 투명 기반에 투명 회로를 사용할 수 있다.

 

EmpaCCC(Coating Competence Center)가 제공하는 가능성 덕분에 두 연구 그룹의 결과는 실험실에만 국한되지 않는다. "개발된 인쇄 기술은 업계에서 이미 작업중인 장치를 기반으로 한다"Romanyuk은 설명했다. 이를 통해 새로운 인쇄 전자 제품의 산업 생산에 대한 과학적 돌파구를 신속하게 구현할 수 있다. (계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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