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  • 기사등록 2018-12-27 14:56:49
  • 수정 2018-12-27 15:04:43
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3D구조전자기술, 제조업 혁신·新시장 창출 기여



‘자동화를 넘어 지능화로’. 4차 산업혁명의 핵심인 스마트 팩토리의 나아갈 방향을 정확하고 간결하게 표현한 문구이다.


스마트 팩토리는 제조 공정의 단순 자동화가 아닌 ICT(정보통신기술)와의 융합을 통해 생산장비와 제조 전 과정이 네트워크로 연결되며, 나아가 고객의 요구에 즉각적으로 대응할 수 있는 시스템을 구축하는 것을 목표로 한다.


현재 스마트 팩토리 분야에서 제조업용 애플리케이션 기술은 상당한 수준으로 성숙되었다.


하지만 3D프린팅, 사물인터넷(IoT), 머신비전, 로봇 등 장치 기술의 성숙도가 높지 않으며 그로 인해 스마트 팩토리 실현을 위해서는 이 기술들이 조속히 개발되어야 하는 실정이다.


그 중 3D프린팅 기술은 시제품 및 디자인 테스트 활용에서 벗어나 최근에는 전기·전자산업,의료·바이오,항공·우주, 교육 등의 다양한 분야에서 실제품 제조에 활용되고 있어 스마트 팩토리에 신 제조공법을 제공할 수 있을 것으로 기대를 받고 있다.


이에 본 고에서는 전기·전자산업 분야 스마트 팩토리에 활용될 수 있는 3D프린팅 기반의 구조전자기술(structural electronics)에 대해 간단히 살펴보고자 한다.


구조전자기술은 차세대 전기·전자기술로 평평하지 않고 불규칙한 모양을 갖는 기판 혹은 3차원 구조물에 기능성전기·전자회로를 인쇄하여 구조체와 회로가 통합된 완전한 전기·전자기기를 제작하는 새로운 개념의 제조 방식이다.


이 기술은 PCB(인쇄회로기판)가 없는 전기·전자기기의 제조를 실현할 것이며 제작된 전기·전자기기에 다양한 기능을 부여하는 새롭고, 이상적인 방법을 제시할 것이다.이에 차세대 전기·전자기기의 제조는 물론 스마트 팩토리 시스템 구축에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.


현재 구조전자기술의 구현을 위해 In-molded electronics (IME)나 3D molded interconnect devices (3D-MID) 방법이 사용되고 있다. 하지만 이 기술들은 기능성 패턴이 임베딩된 복잡한 형상의 기능성 3차원 구조물을 제작하는데 한계를 보인다. 이에 3D프린팅 기술을 기반으로 한 3D인쇄전자(3D printed electronics) 기술이 보다 복잡하고 정밀한 구조전자기술을 실현할 수 있는 기술로 평가 받고 있다.


3D구조전자기술은 골격을 제조할 수 있는 3D프린팅 기술과 전기·전자회로를 구현할 수 있는 3D프린팅 기술의 융합을 통해 실현될 수 있다. 기존 인쇄전자기술에 사용되는 2D프린팅 기술의 경우는 평평한 기판위에 2D패턴의 프린팅만이 가능하여 구현할 수 있는 전기·전자회로의 형상에 한계가 있었다면, 3D프린팅 기술의 경우는 3차원 형상의 기판(골격)을 제작할 수도 있고, 제작된 평평하지 않은 3차원 기판에 2D패턴은 물론 3D패턴을 구현할 수 있어 개념적으로는 다양한 형상 및 기능의 전기·전자기기제조가 가능한 것이다.


일체형 3D전기·전자소자 및 웨어러블소자 제작, 스마트팩토리 현실화 앞당겨

3D 인쇄전자 2025년 10억불 시장, 전기연 장비·나노전자잉크 개발 선제대응


향후 전기·전자산업에서 3D프린팅의 활용 비중은 급격하게 높아질 것으로 전망되고 있다. 활용 비중 전망은 2020년 평균 24%, 2025년 평균 38%, 2030년 평균 50%로 현재는 타 산업 대비 활용률이 낮은 상태이지만 기술 개발을 통해 기술적 제약이 점차적으로 해소되어 3D프린팅 활용도가 타산업보다 높거나 비슷한 수준까지 증가할 것으로 예상되고 있다. 이에 3D인쇄전자세계시장은 2025년 까지 적어도 10억불 이상의 규모로 성장할 것으로 평가되고 있으며 차세대 분야인 유연전자(flexible electronics), 신축전자(stretchable electronics),구조전자기술 분야에 적용될 경우는 1,000억불 이상의 잠재 시장규모가 예측되고 있다.


그렇다면 세계적으로 3D구조전자기술은 어느 정도 수준에 도달해 있을까? 최근 들어 전기·전자회로 3D프린팅 기술 및 기능성 소재(필라멘트, 잉크 등)들이 개발되기 시작했지만 제작된 구조물의 해상도 낮고 사용 가능한 소재가 제한적이어서 아직은 개발 초기 단계이다. 소재 및 전기·전자산업에 경쟁력을 가지고 있는 우리나라 입장에서는 세계적으로 기술적 주도권을 확보할 수 있는 분야라고 할 수 있다.


이에 우리 정부(과기정통부-산업부)에서도 국가차원의 중·장기적 3D프린팅 기술 확보 전략 마련을 위해 지난 2014년 12월 3D프린팅 전략기술 로드맵을 수립하였고 10대 핵심 활용분야를 선정하였다. 그 중 3D전자부품에 대해서는 2025년까지 전자/전기적 기능 부여가 가능한 복합소재 및 복합공정 3D프린팅 기술 확보를 통해 세계적으로 3D구조전자기술 분야에서 우위를 선점한다는 목표가 설정되었다.


국내에서는 한국전기연구원(KERI)이 관련 분야의 연구를 선도하고 있다. 한국전기연구원에서는 3D구조전자소자 구현에 활용될 수 있는 전도성 고분자, 그래핀, 탄소나노튜브(CNT), 금속 등 다양한 소재를 이용하여 마이크로, 나노미터 단위의 3차원 기능성 구조체를 제작할 수 있는 세계 최고/최초의 잉크기반 3D프린팅 및 기능성 나노전자잉크 기술을 개발하였다.


현재는 개발된 3D프린팅 방식과 잉크 소재가 탑재된 3D프린터를 제작하여 구조전자기술에 적용할 수 있는 고정밀 3D프린팅 통합 솔루션 시스템 확립을 위한 연구를 활발히 수행 중이다.


앞서 언급했듯 전기·전자기기의 RFID 태그, 센서, 조명, 디스플레이 등 거의 모든 회로와구조체가 일체화된 완전한 전기·전자기기를 3D프린팅으로 제작하는 3D구조전자기술은 ICT와 융합을 통해 인쇄전자, 웨어러블 스마트기기 제조 기술 등과 연계될 수 있다. 이는 전기·전자기기 스마트 팩토리 현실화를 앞당길 것이며 제조업 혁신과 신시장 창출에 기여할 수 있을 것으로 예상된다.

▲ 한국전기연구원에서 개발한 잉크기반 3D프린팅 및 기능성 3D나노잉크 제조 기술: 은, 구리, 그래핀, 탄소나노튜브, 전도성고분자 등


▲ 한국전기연구원에서 개발한 잉크기반 3D프린팅 및 기능성 3D나노잉크 제조 기술: 은, 구리, 그래핀, 탄소나노튜브, 전도성고분자 등


▲ 3D구조전자기술은 전기·전자기기 스마트 팩토리 현실화를 앞당길 것이다.


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