전력에너지 산업ㆍ기업 시공ㆍ안전 정책ㆍR&D 오피니언 피플inSide 전기家
사설
등촌광장
기자의 눈
독자투고
월요객석
이주의 말말말
경제산책
데스크 칼럼
연규해 칼럼
(특별기고) 전자기기를 3D프린터로 제조하는 3D 인쇄전자 기술
[ 해당기사 PDF | 날짜별 PDF ]
설승권 한국전기연구원 박사(책임연구원)
공상과학 영화 속 감독들의 과학적 상상력은 우리들의 눈앞에 새로운 세상을 펼쳐놓는다. 그런데 흥미로운 사실은 과학기술의 발전으로 인해 상상 속의 이야기일 것만 같은 많은 일들이 현실화 되어 왔다. 아직 초기 단계이기는 하지만 그동안 영화 속에서 보아왔던 3D프린팅 기술을 이용하여 음식, 옷, 인공관절, 생체조직, 자동차 차체, 건물 등을 제작하는 일들이 하나 둘씩 우리 눈앞에서 벌어지고 있다.

적층가공(Additive Manufacturing)이라고도 불리는 3D프린팅은 입체의 소재를 자르거나 깎는 방식의 전통적인 절삭가공(Substractive Manufacturing)과 반대되는 개념으로 디지털로 디자인된 데이터를 이용, 소재를 한 겹씩 쌓아 입체 구조물을 제조하는 기법이다. 3D프린팅 방식은 공정 특성 상 필요한 양의 소재만을 사용하기 때문에 원소재의 절감이 가능하여 제조비용을 크게 낮출 수 있으며 맞춤형 다품종 소량 생산에 적합하고 대형 설비를 갖추지 않고도 단일 공정으로 복잡한 구조물로 한 번에 인쇄가 가능하다는 특징이 있다.

이러한 특징들로 인해 4차 산업혁명의 핵심으로 꼽히는 3D프린팅은 기존 산업의 패러다임을 변화시켜 제조업 혁신 및 신시장을 창출할 주요기술로 각광받고 있다. 세계적으로 각국 정부의 3D프린팅기반 산업 및 R&D 주도권을 확보하기 위한 노력이 치열하게 전개되고 있는 것도 이러한 이유에서이다.

현재 3D프린팅 기술 개발 및 산업 전반에 걸친 응용 연구가 세계적으로 활발히 진행되고 있으며 장난감, 음식, 옷, 인공관절, 자동차 차체, 터빈, 건물 등 3D프린팅으로 만들어 내는 물건들의 종류와 크기는 더욱 다양해지고 있는 상황이다.

그렇다면 3D프린터로 전자기기도 만들 수 있지 않을까? 이러한 요구에서부터 출발된 기술 분야가 3차원 인쇄전자(3D printed electronics)이다. 3D 인쇄전자 기술은 3D프린팅 기술을 이용하여 전자소자를 구현하는 것으로, 궁극적으로는 프린팅 기술만으로 완성된 완전한 전자기기를 제조하는 것을 목표로 한다. 이를 위해서 세계적으로 다양한 형태(잉크, 필라멘트, 분말 등)의 기능성 소재들과 이종 이상의 프린팅 기술이 융합된 복합공정 3D프린팅 기술이 활발히 연구되고 있다.

기존 인쇄전자 기술에 사용되는 인쇄방법들의 경우는 평평한 기판위에 2차원 패턴의 인쇄만이 가능하여 구현할 수 있는 전기‧전자회로의 형상에 한계가 있었다면, 복합공정 3D프린팅 기술의 경우는 3차원 형상의 기판(골격)을 제작할 수도 있고, 제작된 평평하지 않은 3차원 기판에 2차원 패턴은 물론 3차원 패턴을 구현할 수 있어 개념적으로는 다양한 형상 및 기능의 전자소자 제작이 가능한 것이다.

향후 전자산업에서 3D프린팅의 활용 비중은 급격하게 높아질 것으로 전망되고 있다. 활용 비중 전망은 2020년 평균 24%, 2025년 평균 38%, 2030년 평균 50%로 현재는 타 산업 대비 활용률이 낮은 상태이지만 기술 개발을 통해 기술적 제약이 점차적으로 해소되어 3D프린팅 활용도가 타산업보다 높거나 비슷한 수준까지 증가할 것으로 예상되고 있다. 이에 3D인쇄전자 세계시장은 2025년 까지 적어도 10억불 이상의 규모로 성장할 것으로 평가되고 있으며 차세대 전자기기 제작에 적용될 경우는 100억불 이상의 잠재 시장규모가 예측되고 있다.

그렇다면 세계적으로 3D 인쇄전자 기술은 어느 정도 수준에 도달해 있을까? 지금까지 전자산업 분야에 적용되고 있는 3D프린팅 기술은 세계적으로도 대부분이 전자기기(혹은 부품)의 외형을 제작에 머물고 있었다. 최근 들어 전자산업에서 3D프린팅 제조 방식의 본격적 도입을 한층 앞당길 수 있을 것으로 평가받고 있는 전자회로 프린팅 기술 및 기능성 소재들이 개발되기 시작했으며 빠른 속도로 발전하고 있지만 아직은 기술 초기 단계라고 할 수 있다. 선진국보다 3D프린팅 도입이 늦어 3D프린팅 관련 기술 경쟁력이 상대적으로 취약하지만 소재 및 전자산업에 경쟁력을 가지고 있는 우리나라 입장에서는 세계적으로 기술적 주도권을 확보할 수 있는 3D프린팅 분야 중의 하나일 것이다.

이에 우리 정부(과기정통부-산업부)에서도 국가차원의 중․장기적 3D프린팅 기술 확보 전략 마련을 위해 3D프린팅 전략기술 로드맵을 수립하였고 10대 핵심 활용분야를 선정하였다(2014년 12월). 그 중 3D전자기기 분야(로드맵에는 3D전자부품으로 표기)에 대해서는 2025년까지 전자/전기적 기능 부여가 가능한 복합소재 및 복합공정 3D프린팅 기술 확보를 통해 세계적으로 3D인쇄전자 기술 분야에서 우위를 선점한다는 목표가 설정되었다.

최근 한국전기연구원에서는 3D 인쇄전자소자 구현에 활용될 수 있는 전도성 고분자, 그래핀, 탄소나노튜브(CNT), 금속 등 다양한 소재를 이용하여 마이크로, 나노미터 단위의 3차원 기능성 구조체를 제작할 수 있는 세계 최고/최초의 잉크기반 3D프린팅 및 기능성 나노전자잉크 기술을 개발하였으며 기업체로의 기술이전을 통해 상용화를 추진 중에 있다. 또한 개인용 전자기기 3D프린터는 물론 산업용 3D공정설비에 적용될 수 있는 3D전자기기 제조가 가능한 고정밀 3D프린팅 통합 솔루션 시스템 확립을 위한 연구를 활발히 수행 중이다.

앞서 언급했든 RFID 태그, 센서, 조명, 디스플레이 등 거의 모든 전자산업 분야 소자들과 완전한 전자기기를 3D프린팅으로 제작하는 3D 인쇄전자 기술은 전자산업 발전에 큰 잠재성을 지니고 있다. 또한, 3D 인쇄전자기술과 ICT의 융합은 스마트 콘텍트렌즈, 스마트안경, 의복착용형 ICT 기기 등의 웨어러블 스마트기기 개발 및 범용화의 촉진을 통해 거대 신시장 창출에 기여할 수 있을 것으로 예상된다. 3D 인쇄전자기술과 이를 기반으로 한 융합기술은 4차 산업혁명 시대에 핵심적인 기술로 자리매김 해가고 있다.

작성 : 2017년 08월 22일(화) 09:59
게시 : 2017년 08월 23일(수) 11:34


한국전기연구원 설승권 박사(책임연구원)

많이 본 뉴스
전기계 캘린더
2017년 11월
1234
567891011
12131415161718
19202122232425
2627282930