한국전기연구원(KERI·원장 박경엽) 설승권 박사팀(KERI 나노융합기술연구센터)은 그래핀21을 소재로 나노미터(㎚, 1㎚는 10억분의 1m) 크기의 다양한 3D구조체를 제작할 수 있는 3D 나노프린팅 기술을 개발했다.

‘꿈의 신소재’로 불리는 그래핀과 3D 나노프린팅을 결합한 이 기술은 웨어러블 스마트기기 개발에 필수적인 첨단 인쇄전자186 기술이다.

현재 주목받고 있는 3D프린터와 프린팅 기술은 시제품 등 일반 구조물의 제작 단계에 머물러 있다. 플렉시블, 웨어러블 등 첨단 전자소자의 실질적 구현을 위해서는 그래핀을 이용한 나노미터 수준의 미시적인 구조물 제작이 필요하다.

설승권 박사는 소재를 뿌려주는 노즐의 제어 정밀도를 250㎚까지 높인 3D패터닝 기술에 그래핀 프린팅 과정을 500㎚급 영상으로 정밀 관찰하는 기술을 결합했다.

초미세 노즐에서 프린터 잉크 역할에 해당하는 ‘산화 그래핀’ 용액을 뿌려 그래핀 기반의 구조물을 만들어냈다.

기존 3D프린터는 고체 재료를 열로 녹여 사용하지만 설 박사의 3D나노프린터는 그래핀 등 재료를 액체 형태로 분사해 프린팅한다. 프린팅 도중 액체는 증발하고 그래핀 소재만 남아 구조물을 형성한다.

이 방식은 빠르고 쉬운 프린팅은 물론이고 나노급 소자를 원하는 대로 제작할 수 있다. 또 노즐의 속도를 제어할 수 있어 동일한 노즐에서 다양한 크기의 나노구조체 제조가 가능하다.

설 박사의 3D 나노프린터로 만든 그래핀 나노구조체는 전기 전도성이 뛰어나고, 화학적·구조적 안정도도 높았다. 열적·기계적 특성이 우수해 휘거나 구부러지는 등 충격에도 강했다.

KERI는 해당 기술을 특허 출원하고, 기업과 협력해 후속 응용연구를 진행해 빠른 시일 내 이 3D나노프린터를 상용화한다는 계획이다.

설승권 박사는 “세계적으로 주목받고 있는 3D프린팅 기술을 그래핀을 소재로 나노미터 단위에서 적용에 성공한 세계 최초의 성과”라며 “그래핀뿐 아니라 금속, 플라스틱 등 다양한 소재로 3D구조체를 만들 수 있어 인쇄전자산업 발전에 획기적인 전환점으로 작용할 것”이라고 말했다.