한국전기연구원(KERI) 스마트3D프린팅연구팀 설승권 박사팀이 꿈의 신소재로 알려진 '맥신(MXene)'을 활용해 머리카락 굵기 100분의 1 수준의 3D 미세 구조물을 인쇄하는 기술을 세계 최초로 개발했다.
맥신은 금속층과 탄소층이 교대로 쌓인 2차원 나노 물질로 2011년 미국에서 처음 발견됐다. 높은 전기 전도성과 전자파 차단 능력을 보유하고 있고 여러 금속 화학물과의 조합이 용이한 특성이 있어 고효율 배터리나 전자기 차폐 등 다양한 분야에서 크게 주목받는다.
다만 맥신을 3D 프린팅 분야에 적용하려면 별도 첨가제(바인더)가 필요하고 인쇄에 맞게 최적의 잉크 점도(농도)로 조절해야 하는 어려움이 있었다. 맥신 공급량이 너무 많으면 고농도 잉크가 피펫 노즐을 막아버리고 반대로 농도를 낮추면 원하는 구조물을 충분히 인쇄할 수 없게 된다. 첨가제로 인해 맥신 고유 성질이 손상된다는 문제도 있었다.
설승권 박사팀은 이를 해결하기 위해 독자적으로 보유한 '메니스커스(Meniscus)' 방식을 활용했다. 메니스커스는 물방울 등을 일정 압력으로 지그시 누르거나 당기면 모세관 현상에 의해 물방울이 터지지 않으면서 외벽에 곡면이 형성되는 현상이다.
연구진은 높은 친수성을 보유한 맥신을 바인더 없이 물에 분산시켜 낮은 점도로도 고해상도 미세 구조물을 인쇄할 수 있는 3D 프린팅용 나노 잉크를 제조하는 데 성공했다.
이 잉크를 3D 프린터 노즐을 통해 분사하면 맥신 등 나노 물질이 메니스커스를 통로로 삼아 뿜어져 나온다. 이때 잉크 내 메니스커스 표면에서 물(용매)이 빠르게 증발하고 내부에 강한 인력(반데르발스 힘)이 작용해 나노 물질이 서로 결합하게 된다. 해당 과정을 연속해서 진행하면 전기가 통하는 3D 마이크로 구조물이 탄생하게 된다.
이번 성과는 첨가제 없이 맥신의 특성을 최대한 활용한 방법으로 결과물도 뛰어났다. 인쇄 해상도는 기존 기술 대비 무려 270배나 높은 1.3마이크로미터(㎛)로 머리카락 굵기의 약 100분의 1 수준이다.
3D 인쇄 구조물 미세화를 통해 전기·전자 소자 성능과 활용성도 커졌다. 배터리 등에 활용하면 구조물 표면적과 집적도를 높여 이온 전달 효율을 극대화하고 에너지 밀도를 증대시킬 수 있다. 전자기 차폐에서는 내부 다중 반사와 흡수 효과를 증폭해 성능 향상이 기대된다.
이번 연구 결과는 높은 평가를 받아 독일 와일리(Wiley) 출판사의 재료분야 세계적 학술지인 '스몰(Small)' 표지논문으로 최근 선정됐다. KERI는 개발 기술 사업화를 위해 수요 업체를 적극 발굴한다는 계획이다. 나아가 나노잉크 기반 3D 프린팅 기술을 통해 관련 시장 분야를 선도한다는 목표다.
설 박사는 “맥신 잉크 농도 조건을 최적화하고 인쇄 공정에서 발생할 수 있는 다양한 매개변수들을 정밀 분석하는데 많은 노력을 기울였다”며 “우리 기술은 별도 첨가제나 후처리 공정 없이도 맥신의 장점을 살려 고강도·고정밀 3D 마이크로 구조물을 얻을 수 있는 세계 최초의 성과”라고 말했다.
창원=노동균 기자 defrost@etnews.com
