【브레이크뉴스 포항】박영재 기자=POSTECH(포항공과대학교)은 화학공학과 손재성 교수와 KIST(한국과학기술연구원, 원장 윤석진) 김진영 박사 공동 연구팀이 링커 이온(linker ions)을 사용해 무기(inorganic)소재를 포함한 다양한 재료에 보편적으로 적용할 수 있는 3D 마이크로프린팅(micro-printing)기술을 개발하는 데 성공했다고 31일 밝혔다.

▲ (위) 나노입자 3D 마이크로프린팅 모식도 / (아래) 제작된 마이크로 구조물  © 포스텍

이번 연구는 한국연구재단 나노·소재기술개발사업 도전형 소재 기술 개발 프로그램과 미래수소원천기술개발 사업 등의 지원으로 진행됐으며 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 분산되어 있던 무기 나노입자 간 다중 네트워크가 형성됐으며, 입자들이 빠르게 고형화되어 구조를 유지했다.

또, 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. 특히, 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”이라는 말을 전했다. 또, KIST 김진영 박사는 “연구팀의 공정 기술을 바탕으로 대면적 구조체 품질 향상과 생산 속도 개선을 통해 다양한 소재와 부품 상용화에 기여하길 바란다”는 기대를 전했다.

<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>

 POSTECH · KIST joint research team develops 3D microprinting technology that can utilize inorganic materials

At POSTECH (Pohang University of Science and Technology), the joint research team of Professor Jaeseong Son of the Department of Chemical Engineering and Dr. Jinyoung Kim of KIST (Korea Institute of Science and Technology, Director Seokjin Yoon) used linker ions to enable universal application to various materials, including inorganic materials. It was announced on the 31st that it had succeeded in developing 3D micro-printing technology.

This research was conducted with support from the National Research Foundation of Korea's Nano/Material Technology Development Project Challenge Material Technology Development Program and the Future Hydrogen Source Technology Development Project, and was published in the international academic journal ‘Nature Communications’.

3D microprinting is a process for manufacturing very small parts or sensors in various fields such as electronic communications, bio, and medicine, and is a next-generation process that reflects the recent trend of miniaturization and lightweighting of devices. However, inorganic materials such as metals have difficulty controlling fine nanoparticles, making it difficult to maintain their structure after 3D microprinting.

To solve this problem in this study, the research team used transition metal cations as linker ions. Linker ions react selectively on the surface of nanoparticles and promote bonding and interaction between particles, thereby inducing high-speed curing of nanoparticles.

The research team used 3D microprinting technology to print inorganic nanoparticles in a solution bath in which linker ions were dissolved. As a result, multiple networks were formed between the dispersed inorganic nanoparticles due to the linker ions, and the particles quickly solidified and maintained their structure.

In addition, the research team succeeded in producing an inorganic porous structure of less than 10 μm (micrometer) by controlling the interaction between particles. They succeeded in overcoming the limitations of existing microprinting technology and printing inorganic materials without special equipment.

Through this study, the research team proved that various functional inorganic materials such as metals, semiconductors, magnets, and oxides can be applied to 3D microprinting. In particular, the research team's technology is significant in that it is a low-cost, high-speed process that can replace existing processes for manufacturing electronic devices, such as micro-precision mechanical technology (MEMS).

  Professor Son Jae-seong of POSTECH said, “Through this research, we have presented a new way to easily produce three-dimensional structures using improved solution processing technology for nano printing,” and added, “It will play an important role in the research of nano material-based devices in the future.” reported. In addition, KIST Dr. Jinyoung Kim expressed his expectations, saying, “Based on the research team’s process technology, we hope to contribute to the commercialization of various materials and parts by improving the quality of large-area structures and improving production speed.”