3D 프린팅 전자 구성품: 현실적으로 기대할 수 있는 것

3D 프린터가 최근에서야 가정용으로 나온 이유는 이러한 특허 사용에서 개발, 제조, 유통이 금지되었기 때문입니다. 이것은 특허로 인해 특허 사용에 관한 논쟁이 생겨 기술 발전이 저해될 수 있는 것을 잘 보여주는 사례이기도 합니다. 따라서 이 기술은 1980년대부터 사용할 수 있었지만 다른 사람이 이 기술을 더 발전시키기까지 30년이 걸렸습니다.

대부분의 3D 프린터는 3D 디자인을 여러 개의 작은 2D 수평 슬라이스로 쪼갠 후 각 2D 슬라이스를 층층이 프린트하는 방식으로 작동합니다. 가장 흔한 3D 프린터는 열가소성 소재를 사용하는데 이 소재는 릴에 감겨 있다가 핫노즐을 통해 압출됩니다. 일부 3D 프린터는 이러한 모형을 종이를 사용해 빌드할 수 있는데, 종이에서 한 층씩 잘라내 접착제로 붙입니다. 일부 특이한 시스템은 금속성 분진을 레이저 소결법으로 조형할 수 있습니다.

3D 인쇄 전자 소자란 무엇일까요?

3D 인쇄 전자 소자는 프린터에서 적층 공정을 사용해 제조하는 전자 구성품입니다. 그러나 2D 인쇄 전자 소자는 3D로 프린트되지 않는다고 생각할 수 있다는 점에서 “3D 인쇄 전자 소자”라는 말은 오해의 소지가 있습니다.

사실 대부분의 2D 인쇄 전자 소자는 3D입니다. 다시 말해, 여러 층을 겹겹이 쌓아 올려야 합니다. 이것은 반도체의 트랜지스터에도 해당합니다. 트랜지스터는 2D로 간주되지만 실제로는 적층과 절삭 공정을 거쳐 쌓아 올려야 하는 3D 구조물입니다(예: 게이트, 소스, 절연 층).

현재 대부분의 인쇄 전자 소자는 실용성이 거의 없어 실제로 사용되는 경우가 드뭅니다. 그 이유는 일반적인 전자 소자가 제조하기가 더 쉽고, 더 저렴하고, 더 안정적이기 때문입니다. 그러나 실용적인 소자를 만들기 위해 상당히 많은 연구가 진행되고 있습니다. 연구자들은 이미 3D 프린팅 방법을 사용해 저항기, 커패시터, 다이오드, 트랜지스터를 만들었으며, 다양한 소재가 사용되지만 대부분 그래핀이나 유기 폴리머 기반입니다. 그래핀을 사용하면 좁은 게이트와 채널을 만들 수 있고 그래핀의 전도를 바꿀 때 중요한 역할을 하는 도핑도 가능합니다. 유기 폴리머는 용액 형태로 만들기가 쉽고(따라서 잉크젯 프린터에 적합) 유연성도 높여줍니다.

인쇄 전자 소자의 예

인쇄 전자 소자에 관한 연구가 많이 있지만 인쇄 전자 소자의 기능이 표준 전자 소자 시스템과 전혀 달라 상용화된 경우가 드뭅니다. 게다가 인쇄 전자 소자는 아직은 초기 단계이기 때문에 연구실이나 원형 상태로만 볼 수 있습니다. 실용화될 가능성이 가장 높은 기술을 말할 때 단연 독보적인 두 주체가 바로 PragmatIC과 듀크 대학교입니다.

PragmatIC

PragmatIC은 RFID 태그 같이 한 번 사용하는 1회용 전자 소자용 인쇄 전자 솔루션을 생산하는 영국계 회사입니다. PragmatIC 소자의 중요한 특징 중 하나는 PragmatIC에서 유연한 회로기판을 사용하기 때문에 완벽하게 유연한 소자가 나온다는 것입니다. 그리고 저항기, 커패시터, 트랜지스터 등 모든 필수 구성품에 이 회사의 유연한 전자 기술이 사용됩니다. 기능성 소자가 완벽하게 입증되지 않은 시기에 PragmatIC은 자체 공정을 사용한 ARM 코어 프로세스와 각 소자에서 21 mW를 소비해 에너지 효율이 1% 밖에 안 된다는 클레임 시트를 만들었습니다.

PragmatIC 방식이 표준 반도체 제조 방식과 다른 점은 반도체 파운드리에서 볼 수 있는 집약적 처리 단계를 거치지 않고 소자를 프린트한다는 것입니다. 그리고 PragmatIC 전자 소자는 한 층씩 쌓아 만들며 유기 화학물질과 박막 트랜지스터를 사용하기 때문에 표준 3D 프린터와 유사한 장비를 사용해 만들 수 있는 완벽한 기능성 소자를 만들 수 있습니다.

듀크 대학교

듀크 대학교는 제품의 일반적인 라이프 사이클을 넘는 실용적이면서 가장 강력한 인쇄 전자 소자 중 하나를 제시했습니다. 2021년에 듀크 대학교는 3D 프린터와 유사한 적층 방법을 사용해 저항기, 커패시터, 트랜지스터를 포함하는 인쇄 전자 구성품을 만드는 새로운 방법을 시연해 보였습니다. 이러한 구성품은 탄소 계열인데 에어로졸 분사 시스템(즉, 잉크젯 기술과 유사한)을 사용해 만들며, 절연층은 셀룰로오스를 사용해 만듭니다.

듀크 대학 연구원들은 유연한 회로기판에 구성품을 인쇄하는 것은 물론 절연층까지 더할 수 있는데 이렇게 하면 더 많은 소자를 추가해 진정한 3D 회로를 만들 수도 있습니다. 이 연구 팀에서 개발한 트랜지스터는 매우 커서(마이크로미터가 아닌 밀리미터) 완벽한 기능성을 발휘할 수 있으며 기계식 조작이 가해져도 계속 작동합니다.

인쇄 회로에서 가장 중요한 특징은 그 디자인을 완벽하게 재활용할 수 있다는 것입니다. 연구원들은 유기 화합물과 그래핀을 사용해 기존 회로를 녹이고 잉크를 회수하여 다시 인쇄할 수 있습니다. 이렇게 하면 향후 인쇄 전자 소자를 완벽하게 재활용할 수 있어 기존 전자 소자를 버리지 않고 새 소자로 교체할 할 수 있습니다.

3D 프린팅 전자 소자의 실용적 용도

3D 프린팅 전자 소자를 사용할 수 있는 용도를 이해하려면 먼저 그 이점을 알아야 합니다.

•  회로의 원형을 신속하게 만들 수 있음
•  최종 디자인의 완벽한 주문 제작이 가능함
•  디자인 적층이 가능함(즉, 모든 차원의 능동 부품 제작)
•  고도로 복잡한 공정이 필요 없음
•  완벽한 재활용 가능

3D 프린팅 전자 소자로 가능한 첫 번째 용도는 원격 위치에서 맞춤 디자인을 만드는 것입니다. 예를 들어, 3D 프린터는 화성과 달 같은 지구 밖 천체를 개척하겠다는 향후 우주 탐사 계획에서 꼭 필요할 것입니다. 우주 개척자들은 이런 시스템을 사용해 직접 전자 제품을 만들 수 있기 때문에 지구에 의존해 IC와 기타 구성품을 만들 필요가 없을 것입니다.

디자인을 신속하게 만들 수 있다는 점에서 3D 프린팅 전자 소자는 긴급 수리와 교체에 적합할 수 있습니다. 예를 들어, 해군 함정과 군사 기지에서 3D 프린터 시스템을 이용해 주요 장비의 결함을 수리하고 교체할 수 있을 것입니다. 군사 환경은 열악하고 접근이 어려울 수 있기 때문에 교체 부품을 보내기가 힘들 수 있습니다. 따라서 열악한 환경에서는 3D 프린터가 장착된 군용 설비나 플랫폼이 유리할 수 있습니다.

기술 발전에 따라 기존 전자 구성품이 더 이상 사용되지 않으면 제조사에서 이를 단종하게 됩니다. 이것이 최신 디자인에 영향을 주지는 않지만 아직 필요한 노후화된 시스템(예: 발전소 및 필수 인프라)은 구성품이 단종되면 취약해질 수 있습니다. 3D 프린팅 전자 소자를 사용하면 이러한 부품을 프린트할 수 있기 때문에 대체품을 조달하면서 노후 시스템을 계속 가동할 수 있습니다.

인쇄 전자 소자의 주요 잠재력 중 하나는 일반 3D 프린터에 사용할 수 있다는 것입니다. 다중 노즐 디자인은 구조용 플라스틱과 구성품을 동시에 프린트할 수 있어 기본적으로 전체 디자인을 한 번에 만들 수 있습니다. 전자 소자는 3D 프린팅 구조물의 부품(구성품과 와이어 등)에 쉽게 통합할 수 있어 현재는 제조하기가 상당히 어려운 디자인을 만들 수 있습니다. 이 경우 구성품을 벽면에 수직으로 프린트하는 것도 가능하며 엔지니어들이 PCB에 두 면만 이용하는 것이 아니라 세 면을 모두 활용할 수 있습니다.

3D 프린팅 전자 소자에 기대하는 바를 잘 충족해야 하는 이유

3D 프린팅 전자 소자는 매력적이고 전도 유망하게 들리지만 이에 기대되는 점을 잘 충족해야 합니다. 3D 프린팅 전자 소자가 해결해야 할 과제 중에서 현재 가장 큰 과제는 3D 프린팅 전자 소자는 트랜지스터 밀도가 매우 작다는 것입니다. 다시 말해, 데이터 처리 능력이 최신 프로세서보다 훨씬 적어 상용 소자로 사용하기에는 실용성이 떨어질 수 있습니다.

따라서 3D 프린팅 전자 소자가 실리콘 소자를 대체할 가능성이 적습니다. 최신 제조 공정은 상당히 효율적이어서 전자 소자를 매우 낮은 가격으로 생산합니다. 최신 프로세서는 수백 달러에 판매할 수 있지만 대부분의 마이크로컨트롤러는 판매 가격이 1달러도 안 됩니다. 시간이 지나면 이러한 최신형 프로세서의 가격이 하락해 나중에는 일상 기기에서 사용할 수 있을 정도로 저렴해집니다.

3D 프린팅 전자 소자가 해결할 과제 또 하나는 대부분의 3D 프린터에 있는 문제, 즉 디자인이 구조적으로 약하다는 것입니다. 사실 3D 프린팅 부품은 금속 소재로 만들 수 있으며, 플라스틱 프린팅 부품은 보기보다 훨씬 튼튼하지만 기본적으로 이러한 부품은 원형입니다. 플라스틱 사출 성형 부품은 3D 프린팅 시스템으로 겹겹이 적층할 필요가 없어 3D 프린터보다 늘 앞설 것입니다. 예를 들어, 플라스틱이 한 층이면 매우 튼튼하지만 인접한 플라스틱 층들이 서로 완전히 녹지 않아 결정립 경계가 생깁니다. 따라서 3D 프린팅 디자인의 층을 따라 힘이 가해지면 쉽게 전단될 수 있습니다. 이 효과는 3D 프린팅 전자 소자, 특히 겹겹이 적층해 만든 소자에서 발생할 수 있습니다.

결론

3D 프린팅 전자 소자는 아직 초기 단계지만 지금까지 연구자들이 개발한 것들은 분명 대단한 것들이라고 말할 수 있습니다. 그러나 이러한 기술이 향후 십 년이나 이십 년까지는 상용 전자 소자를 대신할 가능성이 적습니다. 3D 프린팅 전자 소자는 스마트폰의 프린트 안테나나 제품의 RFID 태그 같이 프로세서나 메모리보다는 훨씬 덜 까다로운 니치 용도에서 사용될 가능성이 너 큽니다.