중국과학원 물리화학 기술 연구소 산하 `저온 바이오 및 의학 과학 연구팀`은 최근 액체 금속(Liquid Metal) 연구를 실행한 기초 상에서 액체상(Liquid phase) 3D 금속 프린팅 및 기능 전자 장치 신속 제조 분야에서 다양한 연구개발 성과를 취득하였다. 연구팀의 관련 연구 성과는 표지 논문 형식으로 국내외 유명 학술지에 발표되었으며 국내외 과학기술계와 산업계의 높은 중시를 받고 있다.

금속 3D 프린팅은 현재 팀버(timber) 제조 분야의 난제와 고지로 되고 있다. 기술 보틀넥 및 원가 제약 문제점 때문에 기존의 장비는 공업 레벨의 응용에만 제한되어 있고 대중화 및 보급화를 실현하지 못하고 있는 상황이다. 기존의 금속 3D 프린팅은 주로 높은 용해 점 금속에 집중되고 있으며 일반적으로 고온 용융 성형 혹은 레이저 분말 소결 방식으로 팀버 제조를 실현하며 일반적으로 공기 냉각을 사용하지만 이런 가공 모델 하에서의 목표 부품 온도 하락 및 응고 속도가 늦고 프린팅 소모 시간이 길고 완제품 제조 원가가 높은 상황이다.

중국과학원 물리화학 기술 연구소 산하 `저온 바이오 및 의학 과학 연구팀`은 관련 연구를 통해 전통적인 액체상 3D 금속 프린팅 방법과 차별화되고 실온 하에서 신속한 제조를 실현할 수 있는 전기전도 금속 장치를 개발하였다. 관련 연구 성과는 표지 논문 형식으로 Science China Technological Sciences 학술지에 발표되었으며(Wang and Liu, Vol. 57, pp. 1721, 2014), 이슈 논문으로 선정되었다. 연구팀의 관련 연구개발 성과는 국제 과학기술계와 산업계의 높은 관심을 받았으며 선후로 phys.org, asianscientist, eurekalert, nanowerk, softpedia, spacedaily, 3ders, facebook 웹사이트 등 약 60개에 달하는 영문 매체와 전문 홈페이지에 보도되었다.

연구팀은 관련 연구를 통해 최초로 액체상 냉각 환경 속에서 3D 프린팅을 실현하는 학술 아이디어를 제시하고 차세대 금속 잉크를 개발하여 직접 물, 알코올 등 몇 가지 용액 속에서 3차원 금속 부품을 개발하는데 성공하였다. 일상적인 공기 냉각 방식에 비해 액체상 냉각 프린팅은 금속 용융 액체 방울 온도를 낮춰 성형하는 속도가 신속할 뿐만 아니라 공기가 금속에 대한 산화를 피하거나 효과적으로 감소시키는 등 강점을 보유하고 있는 것으로 나타났다. 이런 방법은 전통 3D 프린팅의 고유 기술 범위를 초월하였으며 향후 기능 장치를 신속히 제조하는 분야에서 중대한 역할을 발휘할 수 있게 될 것으로 전망된다. 관련 연구개발 성과는 `낮은 용해점 합금 잉크를 이용하여 신속하게 전기전도 금속 장치를 제조하는 액체상 3D 프린팅 방법(Liquid phase 3D printing for quickly manufacturing conductive metal objects with low melting point alloy ink)`이라는 테마의 연구 논문으로 정리되어 관련 학술지에 발표되었다.

연구팀은 전통 3D 프리틴 방법 사용 과정에서 나타나는 금속 및 일반 잉크가 용해 점 상에서 큰 차이가 존재하여 커플링 프린팅 조립을 실현하기 어려운 단점에 근거하여 다양한 기능 재료의 호환성과 동시에 프린팅할 수 있도록 하는 기술에 대한 탐색 작업을 실행하였다. 연구팀은 이런 탐색 작업을 통해 직접 단말 기능 장치인 3D 기계 전기 하이브리드 프린팅 기술을 개발하였다. 연구 팀의 관련 연구 성과는 Science China Technological Sciences 학술지에 발표되었다(Wang and Liu, Vol. 57, doi:10.1007/s11431-014-5657-3, 2014).

연구팀은 관련 연구를 통해 최초로 저 용해 점 금속 잉크(전자 부품 제조에 응용)와 비 금속 잉크(절연 패키징 기판에 사용하거나 지원함)를 이용한 교체 프린팅과 조립 기능 장치 개발 가능성을 입증하고 재료 열 유체 특성과 전기 전도성에 대한 비교 측정 테스트를 통해 다양한 용해 점 범위 잉크의 하이브리드 프린팅 성능과 매칭 특징을 해석하였으며 한 개의 LED 발광 설비와 결합하여 관련 프린팅 및 조립 과정을 전시하였다. 연구팀의 관련 연구 성과는 `직접 단말 기능 장치를 제조하는 금속과 비 금속 잉크 호환성 하이브리드 3D 프린팅(Compatible hybrid 3D printing of metal and nonmetal inks for direct manufacture of end functional devices)`이라는 테마의 연구 논문으로 정리되어 관련 학술지에 발표되었다.

지금까지 전통적인 3D 프린팅 중에서 전기전도 금속과 비 전기 전도체 잉크(예를 들면 폴리머)는 용해 점 상에서 차이가 수 백도, 심지어 1,000°C 정도에 달하기 때문에 하이브리드 프린팅에 적응할 수 없는 상황이며 이런 상황은 업계의 중대한 기술 도전으로 되고 있다. 연구팀은 관련 연구를 통해 하이브리드 프린팅의 새로운 방향을 제시하고 미래에 더욱 많은 호환성 재료와 잉크 유형을 개발하여 단말 기능 장치 전체 과정에서의 자동 제조와 조립을 가능할 수 있게끔 하였다. 이런 의미에서 연구팀이 개발한 기술은 전자 장치의 멀티 잉크 `컬러 프린팅`에 속하고 있다. 미래 3D 프린팅 기술 중에서 하이브리드 프린팅은 필연적인 방향 중 하나로 될 것으로 전망된다.

3D 프린팅 외 연구팀은 액체 금속 인쇄 전자학 기술에 대한 연구개발을 추진하였다. 실온 금속 잉크가 전기 회로를 프린팅한 후 만약 제때에 패키징 작업을 실행하지 않으면 액체 상태에 있어 쉽게 도말(Smear)될 수 있다. 연구팀은 이런 상황에 근거하여 일종 고체화를 실현하는 프린팅 방법을 개발하였다. 연구팀은 일종 용해점이 실온보다 높은(약 58.3℃에 달함) 비스무트 기반 합금 프린팅 잉크를 도입하여 동 잉크와 다양한 기판 재료 간의 부착성 문제를 해석하고 대응되는 가열 프린터 헤드(Heated print head)를 연구 개발하였으며 독자적으로 개발한 액체 금속 프린터(Zheng et al., Scientific Reports, vol.4, pp. 4588, 20142014)에 기반하여 고체 회로를 직접 프린팅하는데 성공하였다.

이런 방법 중에서 용융 금속 잉크를 이용하여 프린팅한 정밀 회로는 공기 냉각 하에서 신속히 응고되며 이로 인해 전자 패턴과 기능 장치를 형성할 수 있기 때문에 가공하는데 매우 편리한 특징을 보유하고 있다. 특히 이런 공법을 통해 실현한 고체 전기회로는 액체 회로에 비해 쉽게 회수할 수 있는 특징을 보유하고 있다. 관련 연구 성과는 Proceedings of The Royal Society A 학술지 온라인 판에 발표되었으며(Wang and Liu, Printing low melting point alloy ink to directly make solidified circuit or functional device with heating pen, online press, 2014), 동 학술지 표지 논문에 선정되었다.

액체 금속 인쇄 전자학은 현재 점차 심층적으로 발전하고 있으며 더욱 중요한 응용 가치를 나타내고 있다. 이런 혁신적인 기술이 소비 전자 제조 분야에서의 응용 특징을 탐색하기 위해 연구팀은 전형적인 기능 장치의 직접 프린팅 및 조립 관련 과제에 대한 연구를 실행하였다. 관련 연구 성과는 `액체 금속 프린터를 이용한 유저 단말 직접 프린팅 및 FM 라디오 조립`이라는 테마의 연구 논문으로 정리되어 Circuit World 학술지에 발표되었다(Yang and Liu, Direct printing and assembly of FM radio at the user end via liquid metal printer, Circuit World, online press, 2014). 연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 FM 라디오 프린팅, 조립 및 응용 과정을 데모하였으며 관련 주파수대 방송 신호 수신을 실현하였다.

액체 금속 인쇄 전자학이 에너지 캡쳐 장치를 신속히 제조하는 분야에서의 발전 잠재력을 감안하여 연구팀은 액체 금속 전자 잉크에 기반하는 인쇄 가능한 타입의 열전 발생 장치 개념을 제시한 동시에 대응되는 집적 장치를 연구개발하고 특히 갈륨-콘스 탄탄 열전대(Gallium-constantan thermocouple) 및 갈륨-갈륨 인듐 합금 열전대(Gallium-gallium indium alloy thermocouple)를 대표로 액체 금속 직접 기록 모드(Liquid Metal direct writing mode)를 사용하여 액체-고체, 액체-액체 두 가지 유형 조합 모델의 열전 퇴(Thermopile)의 열전 성능에 대해 계통적인 평가를 실행하고 적합한 페어링 재료를 선별하였다. 동시에 20쌍의 갈륨-콘스 탄탄 열전대에 대한 통합 및 최적화를 통해 열전 발생기 송출 전압을 1.70V로 확대시키고 전원을 742.9μW 수준에 도달시켜 LED 조명을 구동시킬 수 있는 것으로 나타났다.

연구팀의 기초 연구와 응용 실험을 통해 액체 금속 직접 기록 모드(Liquid Metal direct writing mode) 열전 발생기의 실용가치를 입증하였다. 관련 연구 성과는 `액체 금속에 기반한 인쇄 타입의 열전 발생기 및 성능 평가`라는 테마의 연구 논문으로 정리되어 `중국과학 E집` 학술지에 발표되었다(Vol.44，pp. 407, 2014). 특히, 액체 금속 인쇄 전자 잉크 재료가 점점 더 중요해지고 있는 점에 감안하여 연구팀은 관련 연구를 실행하고 연구개발 성과를 `액체 금속 인쇄 전자 잉크 연구`라는 테마의 연구 논문으로 정리하여 `영상과학 및 광 화학` 학술지 표지 논문으로 발표하였다(Vol.32, pp. 382, 2014).

중국과학원 물리화학 기술 연구소 연구팀은 지난 10년간의 지속적인 연구를 통해 `실온 혹은 저 용해점 액체 금속 이론 및 기술 선행 연구`를 개척하였으며 기초적인 탐색과 기술 혁신을 추진하여 다양한 제품 레벨의 액체 금속 전자 프린터 및 3D 프린팅 설비를 연구 개발하였을 뿐만 아니라 부분적인 설비를 관련 기업체에 제공하기 시작하였다. 연구팀은 향후 관련 기기 상용화를 추진하고 국내외 다양한 유저들의 수요 증가를 충족시키기 위한 노력을 하고 있다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』