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최근 3D 회로의 제작은 차세대 인쇄 전자 제품의 실현이라는 관점에서 큰 관심을 끌었다. 3차원 인쇄 가능한 전도성 재료의 사용은 기존의 2차원 인쇄 기술로는 실현할 수 없는 기하학 구조를 형성할 수 있기 때문에 다양한 응용 분야에서 상당한 관심을 받고 있다. 실제 응용을 위해서는 높은 전도도, 3차원 인쇄 가능성, 우수한 접착성, 저온 가공성 등이 해결되어야 한다. 또한 다양한 ...

최근 3D 회로의 제작은 차세대 인쇄 전자 제품의 실현이라는 관점에서 큰 관심을 끌었다. 3차원 인쇄 가능한 전도성 재료의 사용은 기존의 2차원 인쇄 기술로는 실현할 수 없는 기하학 구조를 형성할 수 있기 때문에 다양한 응용 분야에서 상당한 관심을 받고 있다. 실제 응용을 위해서는 높은 전도도, 3차원 인쇄 가능성, 우수한 접착성, 저온 가공성 등이 해결되어야 한다. 또한 다양한 웨어러블 기기가 개발됨에 따라 신축성 있는 전극이 필수적으로 필요하다. 3차원 프린팅이 가능한 신축성 전극 소재는 차세대 디바이스 개발에 있어 핵심 요소라고 할 수 있다.
2.에서는 저렴한 구리 나노입자를 이용하여 3차원 프린팅이 가능한 전극을 개발하였다. 구리는 우수한 전도성에도 불구하고 산화 반응을 억제하기 어렵고 3차원 프린팅으로 두껍게 쌓인 구리 입자층을 효과적으로 소결 할 방법이 없어 3차원 프린팅 전자 회로로는 제안되지 않았다. 이 연구에서는 광학 시뮬레이션 기반 물리적 해석을 기반으로 surface-conformal 레이저 소결을 통해 광자의 깊은 침투를 허용하는 다차원 입자의 혼합이 제안되었다. 3차원 프린팅된 도체는 레이저 소결을 통해 16.5 µm 두께와 비저항 15 µΩ cm 및 선저항 0.91 Ω cm-1을 얻을 수 있었다. 이는 연속적인 공정을 통해 간단하게 생성 할 수 있으며 사용자 친화적인 저비용, 고성능의 전자 회로를 구현 할 수 있었다.
3.에서는 전도성이 우수한 은 플레이크와 퍼콜레이션 임계값이 낮은 탄소나노튜브를 혼합하여 퍼콜레이션 네트워크를 형성하였고 열가소성 탄성체를 전극의 매트릭스로 혼합하여 3차원 프린팅이 가능한 레올로지 특성을 갖게 했다. 20000 S cm-1의 높은 전기 전도도와 접착성, 80도 이하의 저온 공정을 가능하게 하였다. 경사진 표면과 수직 비아에 전극을 인쇄하여 내장된 전자부품과 상호 접촉된 3차원 구조의 전자장치가 구동하는 것을 확인하였다. 또한 종이에 인쇄해 접을 수 있는 전극을 간단하게 만들었다. 높은 storage modulus를 가진 전도성 복합체는 기공이 있는 종이에서도 0.4 Ω cm-1 낮은 저항의 전극을 형성할 수 있었다. 또한 인쇄된 전극의 기계적 굽힘과 접힘 테스트를 하여 안정성을 확인하였다. 3D 프린팅 복합 전극을 전기 회로 및 스트레인 센서를 포함한 다양한 종이 접기 전자 제품에 적용 할 수 있음을 입증하였다.
4. 에서는 3차원 프린팅이 가능한 신축성 전극을 개발하였다. 일반적으로 사용하는 rigid한 전도성 필러 대신에 액체 금속을 사용하여 연신 안정성을 부여했다. 액체 금속은 젖음성이 좋지 않기 때문에 갈륨 기반의 액체 금속을 갈륨 산화막이 있는 입자 형태로 사용하여 젖음성을 좋게 하였다. 하지만 갈륨 산화막이 절연체이기 때문에 전극 형성 후에는 갈륨 산화막이 깨지고 안에서 액체 금속이 흘러나와 conductive path를 형성해야 하기때문에 작은 변형율에도 갈륨 산화막을 파괴하기 위해서 바인더를 사용하였다. 전극의 전도도가 1068 S cm-1이고 저항이 4 Ω ㎝-1이고 75%의 변형율로 연신시 저항 변화폭이 0.5 Ω이고 60,000회 이상 반복 연신이 가능한 것을 확인하였다.
본 연구에서 사용한 방식을 적용하면 간단한 공정 방식인 3차원 프린팅으로 높은 전도도의 전극을 복잡하고 다양한 형태의 전자 기기에 적용시킬 수 있으며 더 나아가 액체 금속을 이용한 전극을 사용할 경우 스트레처블 디바이스에도 적용시킬 수 있을 것으로 기대된다.

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