POSTECH·KIST 공동 연구팀, 무기 소재 활용…3D 마이크로프린팅 기술 개발

POSTECH(포항공과대학교) 화학공학과 손재성 교수, KIST(한국과학기술연구원, 원장 윤석진) 김진영 박사 공동 연구팀은 링커 이온(linker ions)을 사용해 무기(inorganic) 소재를 포함한 다양한 재료에 보편적으로 적용할 수 있는 3D 마이크로프린팅(micro-printing) 기술을 개발하는 데 성공했다. 

이 연구는 국제 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다.

3D 마이크로프린팅은 전자 통신과 바이오, 의료 등 여러 분야에서 매우 작은 부품이나 센서를 제작하는 공정으로 최근 기기의 소형화·경량화 추세를 반영한 차세대 공정이다. 하지만 금속과 같은 무기 소재는 미세한 나노입자를 제어하기 어려워 3D 마이크로프린팅 후 그 구조를 유지하기 어려웠다.

연구팀은 이번 연구에서 이를 해결하기 위해 전이 금속 양이온을 링커 이온으로 사용했다. 링커 이온은 나노입자 표면에서 선택적으로 반응해 입자 간 결합과 상호작용을 촉진함으로써 나노입자의 고속 경화를 유도하는 역할을 한다.

연구팀은 3D 마이크로프린팅 기술을 사용해 무기 나노입자를 링커 이온이 녹아있는 용액 수조 안에 프린팅했다. 그 결과, 링커 이온으로 인해 분산돼 있던 무기 나노입자 간 다중 네트워크가 형성됐으며 입자들이 빠르게 고형화돼 구조를 유지했다. 

연구팀은 입자 간 상호작용을 조절해 10 μm(마이크로미터) 이하의 무기 다공성 구조를 제작하는 데도 성공했다. 기존 마이크로프린팅 기술의 한계를 극복하고 특수 장비 없이 무기 소재를 프린팅하는 데 성공한 것이다.

연구팀은 이번 연구를 통해 금속이나 반도체, 자석, 산화물 등 다양한 기능성 무기 소재도 3D 마이크로프린팅에 적용할 수 있음을 증명했다. 

연구팀의 기술은 초소형 정밀기계 기술(MEMS) 등 전자기기를 제작하는 기존 공정을 대체할 수 있는 저비용 · 고속 공정이라는 점에서도 큰 의의가 있다.

POSTECH 손재성 교수는 “이번 연구를 통해 나노 프린팅을 위한 개선된 용액 공정 기술로 3차원 구조체를 손쉽게 제작하는 새로운 길을 제시했다”며 “앞으로 나노 소재 기반 소자 연구에 중요한 역할을 할 것”이라고 전했다. 

KIST 김진영 박사는 “연구팀의 공정 기술을 바탕으로 대면적 구조체 품질 향상과 생산 속도 개선을 통해 다양한 소재와 부품 상용화에 기여하길 바란다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 나노·소재기술개발사업 도전형 소재 기술 개발 프로그램과 미래수소원천기술개발 사업 등의 지원으로 진행됐다.