VOL. 180 July 2021
바이오 전자소자
3D 프린팅 기술
3D 프린터로 인간의 심장부터 간, 위, 대장, 소장 등 다양한 장기를 프린트할 수 있다면?
간단한 물건을 프린트하던 3D 프린터 기술이 점차 발전하여
수백 나노미터의 전자회로뿐 아니라 인공 장기, 관절까지 만들어내고 있다.
무엇이든 만들어줄 수 있을 것 같은 3D 프린터는 우리의 삶을 어떻게 바꾸어 놓을지 알아보자.
3D프린터의 역사3D Printer
3D 프린팅 기술은 시중에서 구할 수 없는 단종품이나 차별화된 소품, 인간의 장기 등 특수한 제품이나 물체의 제작, 구현에 유리하다. 특히 기존의 제조공법으로는 불가능했던 복잡한 물체의 제작이 가능하며, 다양한 아이디어를 실제로 구현할 수 있다는 장점과 함께 기존 공정에서 쓰고 버리는 재료나 독성 물질의 사용량, 에너지 소비 등도 대폭 줄일 수 있어 환경 친화적이라는 장점도 있다.
1981년, 일본 나고야시 공업연구소의 히데오 코다마는 ‘빛을 이용하여 액상광경화수지를 고체층으로 형성하여 제품을 제작한다’는 내용의 보고서를 발표했다. 현재 3D 프린터의 시초격이 되는 연구가 이뤄진 것이다. 그러나 히데오 코다마는 이 보고서만 제출하고 실제 상용화까지 이르지는 못했다. 더불어 특허를 출원하기에도 내용이 부족하여 그저 보고서로 머물고 말았다.
이어 미국 콜로라도의 척 헐(Chuck Hull)은 자신이 다니던 가구 회사에서 자외선을 이용하여 플라스틱 판을 경화시키는 공정을 보고 3D 프린터라는 개념의 힌트를 얻었다. 1983년 연구를 시작한 그는 1986년 ‘입체인쇄술’이라는 이름으로 특허를 제출했고, 캐나다로부터 투자를 받아 세계 최초로 3D 프린터를 상용화한다. 지금으로부터 무려 35년 전, 3D 프린터가 세상에 등장한 것이다.
빛 에너지를 받았을 때 경화하는 특징을 가지고 있는 광경화성액상수지(‘레진’이라고도 불린다)을 이용한 최초의 3D 프린터, SLA(Stereo Lithography Apparatus) 방식에 이어 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식이 상용화된다. FDM 방식은 열에 녹는 특성을 가지고 있는 플라스틱을 노즐 안에서 녹이고 이를 적층하면서 원하는 형태를 만든다. FDM 방식은 SLA 방식과는 다르게 레이저가 필요없어 상대적으로 저렴하게 3D프린터를 만들 수 있어 오늘날 3D 프린터의 대부분이 이 FDM 방식을 사용하고 있다.
이어 분말형태의 재료에 SLA에서 사용하는 레이저보다 강한 CO2 레이저를 사용해 재료를 녹이고 다시 굳혀 제품을 만드는 SLS(Selective Laser Sintering), 포리스티렌이나 나일론, 왁스 등의 재료가 아닌 금속합금, 세라믹, 알류미늄등의 재료를 사용하는 DMP(Direct Metal Printing), 액상재료를 분사하고 UV 램프를 비춰 경화하는 Polyjet(Photopolymer Jetting Technology) 등 다양한 방식의 3D프린터가 연구, 개발되었다.
전자소자, 바이오 분야는
왜 3D 프린터를 주목하고 있을까RFID&OLED
최근에는 이 3D 프린터를 다이오드와 태양 전지, 트랜지스터 등 전자소자 분야와 인공 심장, 위, 관절, 피부 등의 의료 분야에 적용하려는 연구가 활발하다. 3차원으로 디자인된 바이오 및 전자소자의 디지털 정보를 3D 프린터에 입력하여 입체적 형태로 구현하는 것이다.
전자소자 분야에서는 최근 RFID(Radio Frequency Identification, 무선 주파수를 이용한 아이디 인식 기술), OLED(Organic Light-Emmitting Diode, 유기 발광 다이오드), 3D 프린팅 태양전지, 3D 프린팅 광소자와 같은 3D 프린팅 전자소자가 인쇄공정성, 유연성, 낮은 가격 등의 장점으로 인해 각광받고 있다. 바이오 분야에서도 장기 수요 불균형, 환자 맞춤형 장기 제공, 생물학과 의학 분야의 발전 등 의학 분야의 거의 모든 분야에 대한 해결책으로 이렇게 3D 프린팅 기술이 주목받고 있다.
바이오·전자소자 3D프린팅 기술Technology
ETRI에서 개발한 바이오·전자소자 3D 프린팅 기법은 국소 가열, 쾌속 가열 및 프린트 소재의 토출(플라스틱 등의 3D 프린팅 소재를 원하는 형태로 배출하는 것)이 가능하다. 바이오, 전자소자를 3D 프린터로 조형하는 경우 소재가 손상되지 않도록 하는 것이 중요한데, 이를 위해 소재의 열손상을 최소화하기 위한 쾌속 가열과 국소 가열이 가능한 기술을 개발한 것이다. 또한 안정적이고 정밀한 인쇄 능력 판단을 위한 선 인쇄 패턴 테스트와 적층 인쇄 패턴 테스트 등의 내용을 포함하고 있다.
또한 국소가열과 쾌속가열은 플라스틱, 금속, 바이오 등 다양한 소재와 환경에 적용할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 3D 프린팅에 사용되는 소재와 만들어진 제품이 다양한 특성을 가지고 있기에, 다양한 조건에서 기술의 활용이 가능해야한다는 조건을 만족시킨 것이다.
3D 프린팅으로 맞춤형 제품을 제작할 경우 바코드를 대체하여 상품관리를 네트워크화, 지능화함으로써 제품의 유통 및 관리, 보안, 안전, 환경관리 등의 분야에 혁신을 가져올 것으로 전망된다. 이를 기반으로 다양한 분야의 산업화와 정보화에 크게 기여할 것으로 기대된다.
이렇게 3D 프린팅 기술이 우리 삶과 밀접하게 연관되어 있는 바이오, 전자소자 분야에 적용될 경우 우리 삶의 질이 크게 높아질 것으로 기대된다. 더불어 4차산업의 전자기술 산업분야, 혁신적인 형태의 전자제품 개발이나 환자 맞춤형 인공장기, 신체 장기 수요 불균형 등의 문제를 해결하여 인류 삶의 큰 도약이 될 것으로 기대된다.
본 내용은 ETRI 기술사업화플랫폼에 등재된
‘바이오 전자소자 3D 프린팅 기술’을 인용해 구성하였습니다.
저자 : 나노전자원소자연구실 양용석 연구원
