[TECH REPORT] 나노소재 잉크의 전자 디바이스 활용 잠재력

[IT 전문 저널리스트=리암 크리칠리] 전자 디바이스는 다양한 측면에서 발전을 계속하고 있다. 최근에는 지속적 소형화, 구부리는 것(플렉서블)이 가능해지고 있다는 점이 특징이다. 

기존 회로는 아주 작게 만드는 것은 가능하나 플렉서블·웨어러블 전자 애플리케이션에 필요한 형태로 유연하게 만드는 것은 어렵다. 이러한 기존 회로에 대한 대안으로서 두 가지 방법이 부상하고 있다. 나노와이어(혹은 분자 와이어)를 사용하는 것과 전도성 나노소재 잉크를 사용하는 것이다. 

상업적 잠재력 측면에서 나노소재 잉크를 사용하는 것이 나노와이어보다 훨씬 유리하다. 다만 은(silver) 나노와이어를 잉크로 조제해 상업적 프로토타입에 사용한 사례들은 나와 있다.

나노소재 기반 잉크 역시 고유 조제법 문제를 갖고 있긴 하나 다른 대안들에 비해 상업적 잠재력이 크다. 그러므로 다수 상업적 애플리케이션에 현실적으로 활용하기 위해 많은 기업들이 활발히 연구 중이다.

나노소재 잉크

나노소재 기반 잉크는 다양한 형태가 가능하다. 2D 나노소재 시트부터 3D 나노입자와 1D 나노와이어에 이르기까지 모든 것을 사용할 수 있으며 다양한 원소들을 혼합할 수 있다. 

나노소재를 잉크 형태로 혼합하고(잉크 조제), 표면 위로 도포해 각기 다른 전자 소자들 사이에 전도성 매질 역할을 할 수 있다. 이 잉크를 사용해 인쇄하면 얇은 두께로 플렉서블 전자 회로를 형성할 수 있다.

그래핀이 근본적 유연성·전기 전도도·전하 캐리어 이동도 특성에 의해 가장 유망한 것으로 파악되며 그 외 다른 소재들도 시도되고 있다. 구리 나노입자와 은 나노와이어가 대표적이다.

이 분야는 아직 미개척 상태이므로 어떤 새로운 소재든 초기의 어려운 문제들을 통과하기만 한다면 많은 일상 기기들을 더 작게 만들 수 있는 잠재력이 크다.

최적화 및 양산화 과제

폭넓은 도입을 위해 해결해야 할 가장 큰 과제는 나노입자를 균일하게 생성하고, 이 나노입자를 잉크로 효율적으로 확산시키고, 이것을 표면 위에다 균일하게 프린트하기 위한 최적의 접근법을 찾아내는 것이다. 

나노소재는 크기와 특성을 다르게 해 다양한 원료 제품을 생산할 수 있다. 이 차이에 따라 최종 잉크 조제에 영향을 미친다. 잉크를 조제할 때 활성 나노소재를 균일하게 확산시키지 못하면 전도성 차이가 나 잉크를 완벽한 회로로 사용할 수 없을 것이다. 

또 표면 부위마다 두께가 다르지 않도록 잉크를 표면으로 균일하게 프린트해야 하는 문제도 있다. 이 세 측면이 전도성 나노소재 잉크 분야가 직면한 과제들이다. 그래서 현재 이들 측면과 관련해서 많은 연구가 이뤄지고 있다.

아울러 나노소재 가공 안전 문제와 관련해 소비자 사용 적합성, 작업자 위험 경감을 위한 많은 연구가 이뤄지고 있다.

향후 전망

나노소재 잉크가 일상 제품에 널리 사용되기 위해서는 이러한 과제들을 해결해 완전하게 만들어야 한다. 많은 기업, 정부 기관, 협회 등이 이를 위해 애쓰고 있다. 

나노소재 전도성 잉크는 이제 막 시작 단계에 접어든 기술이다. 다른 많은 기술, 디바이스, 제품과 마찬가지로 이 기술도 상업적으로 널리 사용되기 위해서 효율적인 제품 개발, 최적화, 양산화 단계들을 거쳐야 할 것이다. 

또 한 가지는 나노소재 잉크를 지금보다 훨씬 대규모로 생산할 수 있도록 해야 한다는 것이다. 그렇지 않으면 시장에서 가격 경쟁력을 가질 수 없다. 나노소재 잉크 양산에 관한 연구와 더불어 제품 가격을 낮추면서 잉크를 좀 더 균일하게 만들고 품질을 높이기 위한 연구도 이루어지고 있다. 그럼으로써 가격과 품질의 동반 개선 효과를 누릴 수 있다.

애플리케이션

이 분야 애플리케이션 잠재력은 매우 큰 것으로 평가받으며 이미 시제품(프로토타입)이 등장하고 있다. 

플렉서블 디바이스와 태양광 전지 분야에서 각각 새로운 정전용량식 터치 스크린과 초박막 구리 인듐 갈륨 셀레나이드(CIGS) 태양 전지가 개발됐다. 대학들의 연구에서도 의료 및 피트니스 모니터링 애플리케이션 용으로 전도성 나노소재 잉크 회로를 사용해서 센서들과 데이터 전송 지점들을 연결하는 프로토타입 텍스타일 제품이 개발됐다.

이외에도 전도성 나노 잉크 소재를 활용할 수 있는 분야는 다양하다. 대표적으로 LCD 디스플레이, LED 디바이스, 박막 트랜지스터, RFID 태그, 의료용 센서, 투명 전극 등을 들 수 있다. 나노소재 잉크 활용 잠재력이 특히 큰 애플리케이션은 플렉서블 또는 웨어러블 기술을 사용하는 분야다. 

프린터블 디바이스 또한 중요한 애플리케이션이다. 일부 부품들을 이미 프린트할 수 있게 됐는데, 프린터블 부품에다 프린터블 나노 잉크 회로를 결합하면 이 분야가 빠르게 성장할 것이다.

나노소재 기반 잉크는 플렉서블·웨어러블·프린터블 전자 디바이스의 상업적 확산 잠재력을 갖고 있다. 또 일상적으로 사용하는 많은 디바이스들의 크기를 줄여줄 것이다. 이 잉크가 부품들 사이에 전도성 도체 역할을 해 얇은 두께로 플렉서블한 회로를 형성할 수 있다.