그래핀으로 머리카락보다 수백분의 일로 가는 굵기의 나노미터급 3차원(3D) 구조체를 제작할 수 있는 3D 그래핀 나노프린터가 국내 연구진에 의해 세계 최초 개발됐다. 이 기술은 3D 나노 프린팅 기술 선점과 더불어 인쇄전자 분야에 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대된다.
한국전기연구원의 설승권 박사팀은 자체 정부출연금사업을 통해 미래형 전자소자 핵심소재인 그래핀으로 다양한 형태의 3차원 나노구조체를 제작할 수 있는 3D 나노프린팅 기술을 개발했다고 밝혔다. 나노미터 수준의 그래핀 3D 구조체를 다양한 형태로 프린팅하는데 성공한 것은 이번이 처음이다.
개발된 그래핀 3D 나노프린팅 기술은 미래형 웨어러블 스마트 기기를 생산하는데 적합한 인쇄전자 분야 발전에 혁신을 가져올 수 있는 기술로 관련 외신들이 주목하고 있다.
인쇄전자 기술은 다양한 기능성 잉크 소재로 직접 인쇄공정을 이용하여 스마트폰, 디지털 카메라, DVD, LCD 등 디지털 가전은 물론 전자종이, 유연 물리화학센서 등과 같이 다양한 차세대 유연 전자소자를 제작할 수 있는 기술이다.
‘메니스커스’ 현상 이용, 기판에 산화그래핀 쌓아가는 방식
이 기술을 이용하면 초미세 노즐과 잉크 역할을 하는 산화그래핀 용액을 활용해 나노미터급의 극미세 3차원 나노구조체를 간단한 공정으로 제작할 수 있다. 이렇게 제작된 3차원 나노구조체는 평균 150마이크로미터인 머리카락의 굵기보다도 수백 배 작은 크기다. 연구팀은 이를 가능하게 하기 위해 메니스커스 현상을 이용했다. 메니스커스는 표면에 있는 물방울 등을 일정 압력으로 지그시 누르거나 당기면 모세관 현상에 의해 물방울이 터지지 않으면서 외벽에 곡면이 형성되는 현상을 말한다.
머리카락 굵기보다 수백 배 작은 나노구조체를 위해 연구진은 메니스커스 현상을 활용했다.
노즐 크기 상관없이 다양한 나노구조체 제작 가능
자체 개발한 3D 프린터는 먼저 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(분자 내 강한 인력)이 작용하여 서로 결합하게 된다. 노즐을 이동해 이러한 과정을 연속 진행하면 그래핀이 쌓여진 3D 나노구조물이 만들어지게 되는 구조다. 마지막으로 이렇게 적층된 3D 산화그래핀 나노구조체를 열적 혹은 화학적으로 처리하여 환원시키면 바로 전기가 통하는 그래핀 나노구조체가 제작된다.
KERI 연구팀이 개발한 나노 프린팅 기술은 노즐을 움직이는 속도에 차이를 줌으로써 잉크의 메니스커스 크기를 제어하거나 산화그래핀이 나오는 경로를 한정함으로써 노즐의 구멍(1.3마이크로미터)보다 더 작은 나노미터급의 구조체를 제작할 수 있다.
즉, 동일한 노즐에서도 다양한 크기의 그래핀 나노구조체를 제작할 수 있다는 의미다. 기존 프린팅 기술에서 노즐의 구멍 크기에 따라 제작할 수 있는 구조체의 크기가 한정되는 근본적인 문제를 해결한 것이다.
그래핀 3D 프린팅 광학현미경 관찰 사진
다중소재 3D 나노프린팅 가능해 인쇄형 전기소자 구현
이 기술을 통해 제작된 그래핀 나노구조체는 전기 전도성이 뛰어나 전기가 잘 통하고, 화학적·구조적 안정도가 높다. 또한 열적·기계적 특성도 우수해 휘거나 구부러지는 등의 충격에도 강한 특성을 갖는다. 또한 KERI의 3D 나노프린터는 그래핀 뿐만 아니라 금속, 플라스틱 등 다중소재의 3D 나노패턴을 제작하는 것이 가능하여 다양한 소재로 구성된 인쇄형 전기소자 구현에 활용될 수 있다. 향후 휴대폰 같은 스마트 전자기기를 3D 프린터를 이용하여 제작할 수 있는 시대가 앞당겨진 것이다.
연구를 이끈 설승권 박사는 “이번 개발은 세계적으로 주목을 받고 있는 3D 프린팅 기술을 나노미터 단위의 그래핀 3D 패터닝에 적용한 세계 최초의 성과”라며 “개발한 3D 나노프린팅 기술은 그래핀 뿐만 아니라 금속, 플라스틱 등 다양한 소재로 3D 구조체를 제작할 수 있으며, 다양한 분야에서 응용이 가능해 3D 패터닝을 위한 기술이 없었던 인쇄전자 분야에 새로운 패러다임을 제공할 것”이라고 전망했다. KERI 연구팀은 현재 해당 기술에 대한 특허를 출원한 상태로, 관련 업체와의 협의를 통해 응용분야에 적합한 후속 연구를 진행할 예정이다.
한편, 이번 연구결과는 세계적인 재료분야 학술지인 Advanced Materials에 게재됐으며, 나노기술 분야의 세계적인 포털사이트(미국)인 Nanowerk에도 소개되는 등 관련 국내·외 연구자들의 눈길을 끌고 있다.
한국전기연구원 www.keri.re.kr