최근에 RFID, OLED, 3D 프린팅 태양전지, 3D 프린팅 광소자와 같은 3D 프린팅 전자소자가 인쇄공정성, 유연성, 저가격화 등의 성질 때문에 많은 각광을 받고 있다. 최근에 Nano Dimension의 기술은 첨단 나노 입자 잉크를 사용하여 전문적인 다층 인쇄 회로 기판 (PCB) 및 3D 회로의 자체 프로토 타입 제작을 개발하였다. 그들은 MID 방법으로 유기물 금속 및 절연소재을 이용하여 인터커낵션을 형성하였고, 이 공정으로 전자소자를 개발하였다. 혁신적인 DragonFly 2020 Pro 3D 프린터는 첨단 잉크젯 프린팅, 정밀한 3D 프린팅 및 나노 잉크 기술을 결합함으로써 단 몇 시간 만에 고해상도 멀티 레이어 PCB 프로토 타입을 인쇄함으로써 몇 달 또는 몇주에서 수일의 설계 및 테스트주기를 단축하였다.
본 연구는 바이오, 전자소자 3D 프린팅 기술에 관한 것이다. 이에 개발되어 이전 예정인 기술은 다음의 세가지 세부 기술로 구성되어 있다:
ㅇ 바이오, 전자소자 3D 프린터 헤드의 가열 성능 시험
ㅇ 바이오, 전자소자 3D 프린터 헤드의 인쇄패턴 성능 시험
본 기술은 “3D 프린팅용 소재(플라스틱, 금속, 바이오 소재들을 동시에 적층할 수 있는 것)의 다양한 용융 및 토출 조건에서 제작하는 어려움을 해결하는 신개념의 국소 가열, 쾌속 가열 및 토출이 가능한 3D 프린팅 기술”과 관련하여 바이오, 전자소자 3D 프린터 헤드는 소재의 열손상을 최소화하기 위해 쾌속 가열, 국소 가열, 바이오 소재 또는 전자 소재에 대해 균일한 선 인쇄 패턴 테스트, 적층 인쇄 패턴 테스트 등의 내용으로 이루어져 있다. 본 기술의 성능을 검사하기 위해 복합금속소재를 테스트용 시험 소재로 사용하였고, 이와 유사한 융점을 갖는 바이오 소재 및 금속, 유전체, 플라스틱 소재에 대해서도 적용이 가능하다.
3D 프린팅 전자(3D Printing Electronics) 기술은 3D 프린팅을 통해 전자소자 및 부품 혹은 모듈을 만들어내는 것을 말한다. 즉 도전성(Conductive) 또는 기능성 잉크를 플라스틱이나 종이, 헝겊 등 기판(Substrate)에 인쇄하여 원하는 기능의 3차원 제품을 만드는 것이다. 3D 프린팅 공정에서는 고객이 요청한 다양한 디자인을 3D프로그램으로 모델링한 후 3D프린터로 출력하는 서비스이고, 시중에서 구할 수 없는 단종품이나 차별화된 소품 등의 제작에 적합한 방식이다. 특히 기존의 제조공법으로 불가능했던 복잡한 부품의 제작이 가능하며, 다양한 아이디어를 현실로 구현할 수 있다. 또한 기존 생산 공정에서 쓰고 버리는 재료나 독성 물질의 사용량, 에너지 소비 등도 대폭 줄일 수 있어 환경 친화적인 특징도 있다.
바이오 3D 프린팅은 설계의 확인 및 평가를 위한 시제품 제작을 위해 주로 사용되는 쾌속조형(Rapid Prototyping: RP) 기술을 생체조직에 응용한 적층 방법으로, 살아있는 세포(cell)를 원하는 형상 또는 패턴(pattern)으로 적층하여 조직(tissue)이나 장기(organ)를 제작하는 기술이다. 일반적으로 인체 조직을 세포기반의 소재로 3D 프린터를 이용하여 출력하는 과정은 먼저 하이드로겔(hydrogel)과 사람 세포를 섞어 출력소재로 사용할 바이오 잉크를 제작한다. 다음은 3D CAD 모델로 제작된 STL 파일을 슬라이싱(slicing)하여 상온이나 고온에서 프린터의 노즐로 바이오 잉크를 분사하여 조직의 형태를 생성한다. 지속적으로 영양분을 공급하면서 세포가 자라나 하이드로겔을 채우고, 세포를 보호하고 형태를 잡아주던 하이드로겔은 일정 시간이 지난 후 분해되어 조직이 완성된다
전자소자 3D 프린팅 기술은 더 작은 전자 기기와 더 우수한 장치 기능을 끊임없이 추구하는 지금과 같은 추세에서 공간을 극대화하고, 비용을 절감하고, 무게를 줄이고, 기능을 늘릴 수 있는 기술로 고객 사양 소형 커넥터, 안테나, 센서 등을 제작하기 위한 엔지니어링 및 제조 기술이다. 특히, RFID와 NFC는 개별물품(Item level), 케이스 그리고 Pallet 등에 부착되어 있는 태그로부터 전파를 이용하여 부착물의 정보를 수집, 저장, 가공, 추적함으로 사용자에게 물품에 대한 다양한 서비스를 제공해서, 맞춤형으로 3D 프린팅으로 제작할 경우에 바코드를 대체하여 상품관리를 네트워크화, 지능화함으로써 유통 및 물품 관리뿐만 아니라 security, safety, 환경관리 등에 혁신을 선도할 것으로 전망되며 이를 기반으로 다양한 어플리케이션의 개발과 기능의 고도화가 진전되어 산업화/정보화에 크게 기여할 것으로 사료된다.
본 기술은 “이종복합 3D 프린팅 핵심 소재 및 공정 기술 개발” 사업을 통해 개발된 “바이오, 전자소자 3D 프린팅 기술”의 고객 요구사항을 만족하는 것으로, 구체적으로 3D 프린팅 성능시험에 필요한 시험결과서의 작성목적, 시험범위, 각 시험항목에 대한 시험절차 및 결과의 내용을 포함하고 있다. 본 기술은 “3D 프린팅용 소재(플라스틱, 금속, 바이오 소재들을 동시에 적층할 수 있는 것)의 다양한 용융 및 토출 조건에서 제작하는 어려움을 해결하는 신개념의 국소 가열, 쾌속 가열 및 토출이 가능한 3D 프린팅 기술”과 관련하여 바이오, 전자소자 3D 프린터 헤드는 소재의 열손상을 최소화하기 위해 쾌속 가열, 국소 가열, 바이오 소재 또는 전자 소재에 대해 균일한 선 인쇄 패턴 테스트, 적층 인쇄 패턴 테스트 등의 내용으로 이루어져 있다. 본 기술의 성능을 검사하기 위해 복합금속소재를 테스트용 시험 소재로 사용하였고, 이와 유사한 융점을 갖는 바이오 소재 및 금속, 유전체, 플라스틱 소재에 대해서도 적용이 가능하다.
A. 기술명 : 1. 바이오, 전자소자 3D 프린터 헤드의 가열 성능 시험A
본 고주파 유도가열방식 3D 프린터 헤드에 타겟 온도(300 ℃)를 입력하고 시작 시간을 체크한 다음 고주파 발생전원 온도 컨트롤러의 start 버튼을 눌러서 가열 실험을 진행한 결과, 가열이 시작된 이후의 승온율이 5 ~ 40초 영역에서 약 6.1 oC/s으로 사업요구사항을 만족함.
2. 바이오, 전자소자 3D 프린터 헤드의 가열 성능 시험B
본 3D 프린터 헤드 가열부의 설계에서 외경 지름 3.2 mm의 튜브형 공급부와 외경 지름 4.3 mm의 원통형 발열 블록으로 구성된 소재 공급부이고, 노란색으로 나타낸 부분은 노즐이다. 재료를 토출하는 노즐의 내경 지름은 0.3 mm이고, 본 3D 프린터 헤드 가열부의 제품의 크기는 룰러를 이용하여 측정한 결과, 가열부의 크기(단면적 x 높이)가 약 (2.152 x 3.14) x (6.7 + 2.9) = 14.5 x 9.6 mm3으로 사업요구사항을 만족함
3. 바이오, 전자소자 3D 프린터 헤드의 인쇄패턴 성능 시험A
바이오, 전자소자 3D 프린터를 이용하여 Cu flake가 2.5 wt.% 첨가된 InAg 복합금속 전자 소재를 3D 프린팅한 샘플을 마이크로스코프 iMegascope 1080P 측정 시스템으로 측정한 결과, 상이 선명하게 맺힌 것을 확인하고 프로그램에 내장된 룰러 기능을 사용하여 9 point의 위치에서 값을 측정해 평균값과 표준편차를 구한 결과 선폭 192.9 μm와 선폭의 표준편차 8.9 μm로 사업요구사항을 만족
4. 바이오, 전자소자 3D 프린터 헤드의 인쇄패턴 성능 시험B
바이오, 전자소자 3D 프린터를 이용하여 Cu flake가 2.5 wt.% 첨가된 InAg 복합금속 전자소재를 삼차원으로 적층한 샘플을 측정한 결과, 평면상태에서 원형으로 3D 프린팅하면서 스테이지를 z축으로 동시에 이동하여 실린더 형태의 샘플을 제조 후, 실린더 구조 샘플은 53층으로 사업요구사항을 만족
A. 기술명 : 1. 바이오, 전자소자 3D 프린터 헤드의 가열 성능 시험A
바이오, 전자소자 3D 프린터 헤드는 소재의 열손상을 최소화하기 위해 쾌속 가열하는 기능에 대한 판단으로 3D 프린터 헤드의 쾌속 가열 승온율은 5 oC/s 이상
2. 바이오, 전자소자 3D 프린터 헤드의 가열 성능 시험B
바이오, 전자소자 3D 프린터 헤드는 소재의 열손상을 최소화하기 위해 국소 가열하는 기능에 대한 판단으로 3D 프린터 헤드의 국소 가열부의 크기(단면적 x 높이)는 25x10 mm3 이하
3. 바이오, 전자소자 3D 프린터 헤드의 인쇄패턴 성능 시험A
본 바이오, 전자소자 3D 프린터로 복합금속 전자 소재에 대해 균일한 선 인쇄 패턴의 형성에 대한 판단으로 복합금속 전자 소재에 대해 9 point를 측정하여 선 인쇄 패턴폭은 200 μm 이하, 표준편차는 10 μm 이하
4. 바이오, 전자소자 3D 프린터 헤드의 인쇄패턴 성능 시험B
본 바이오, 전자소자 3D 프린터로 복합금속 전자 소재에 대해 균일한 적층 패턴의 형성에 대한 판단으로 인쇄 패턴 적층수는 40 layers 이상
○ 바이오 3D 프린팅 기술은 전 세계적으로 연구 단계를 넘어 기술 상용화로 나아가고 있음. 따라서, 시장 선점을 위해 바이오 3D 프린팅 기술과 바이오 메디컬 분야의 융합을 위한 원천 기술 확보 중요
○ 바이오 3D 프린팅 기술은 공학 및 생물학, 의학 등 다양한 분야의 긴밀한 융합이 필수적인 분야로 산학연 협업을 통해 기술 고도화 가능하므로 지속적인 기술 개량, 소재 개발, 무해성 검증 등 지속적인 개발을 통해 실제 조직 장기와 유사한 인공 장기 개발 및 기술 향상 기대
○ 바이오 3D 프린팅 기술을 이용함으로써 현재 신체 장기 수요 불균형 문제를 해결 할 수 있을 것으로 기대하고, 환자 맞춤형 인공장기를 제공함으로써 면역거부 반응에 따른 부작용의 대안이 될 수 있을 것으로 전망
○ 전자소자 3D 프린팅 기술의 가장 기본이 되는 입체 성형기술 개발을 통해 고속 정밀 면패턴 성형, 다양한 특성의 소재를 사용한 동시인쇄기술, 다중 소재 토출 기술 등 입체 성형기술의 원천기술을 선제적으로 보유함에 따라 혁신적인 형태의 전자 제품개발을 위한 선도적 역할을 할 것으로 기대
○ 입체 전자 소자 핵심 기술을 중심으로 한 입체 성형 원천기술의 확산을 통해 4차산업 내 입체 전자기술 산업분야 및 관련 산업체와의 동반성장을 촉진