이차원 신소재 `맥신`, 3D프린터로 고해상도 미세 구조물 구현

전기연, 맥신 활용한 3D 프린티용 나노잉크 개발
기존 대비 270배 해상도 구현..배터리 성능향상 기여

한국전기연구원은 첨가제 없이 맥신 소재를 고해상도 미세 구조물로 인쇄할 수 있는 3D 프린팅용 나노 잉크를 개발했다. 사진은 3D 프린터가 맥신 잉크를 활용해 마이크로 구조물을 인쇄하는 장면. 전기연 제공.

전기연이 메니스커스를 활용해 개발한 잉크 기반 3D 프린팅 모습(왼쪽)과 활용분야 개념도. 전기연 제공

이차원 소재로 각광받고 있는 맥신을 활용해 고해상도의 3D 미세 구조물을 인쇄할 수 있는 기술이 개발됐다.

한국전기연구원은 설승권 박사 연구팀이 바인더(첨가제) 없이 물에 분산시켜 낮은 점도로 고해상도 미세 구조물을 인쇄할 수 있는 3D 프린팅용 나노 잉크를 제조하는 데 성공했다고 10일 밝혔다.

맥신은 금속층과 탄소층이 교대로 쌓인 2차원 나노물질로, 전기전도도가 뛰어나고 전자파 차단 능력을 보유하고 있다. 여러 금속 화합물과 결합하기 쉬워 고효율 배터리나 전자기 차폐 등에 널리 쓰인다.

하지만, 맥신을 3D 프린팅에 적용하려면 별도의 첨가제가 필요하고, 인쇄에 맞게 잉크 점도를 조절해야 하는 어려움이 있다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 독자적으로 개발한 '메니스커스' 방식을 적용했다. 메니스커스는 물방울 등을 일정 압력으로 지그시 누르거나, 당기면 모세관 현상에 의해 물방울이 터지지 않으면서 외벽에 곡면이 형성되는 현상을 뜻한다.

먼저 3D 프린터 노즐에서 잉크를 분사하면 맥신 등 나노 물질이 메니스커스를 통로로 삼아 뿜어져 나온다. 이 때 잉크의 메니스커스 표면에서 물이 빠르게 증발하고, 내부에 강한 인력(반데르발스 힘)이 작용해 나노 물질들이 서로 결합하게 되는데, 노즐을 이용해 연속해 진행하면 전기가 통하는 3D 마이크로 구조물이 만들어진다.

연구팀을 이를 토대로 첨가제 없이 맥신이 물에 쉽게 결합하는 성질을 이용해 기존 기술 대비 270배나 높은 1.3마이크로미터까지 표현할 수 있는 인쇄 해상도를 구현했다.

설승권 전기연 박사는 "별도의 첨가제나 후처리 공정 없이 맥신의 장점을 살려 고강도·고정밀 3D 마이크로 구조물을 얻어 전기전자 소자의 성능과 활용성을 대폭 높일 수 있게 됐다"며 "배터리 등 에너지 저장 장치에 활용하면 이온 전달 효율을 높이고, 에너지 밀도를 증대시킬 수 있다"고 말했다.

이 연구결과는 재료 분야 국제 학술지 '스몰' 표지 논문으로 실렸다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr