‘프린터로 전자제품 찍어낸다’ 조정대 한국기계硏 연구실장
‘프린터로 전자제품 찍어낸다’ 조정대 한국기계硏 연구실장
  • 노철중 기자
  • 승인 2021.02.01 09:56
  • 댓글 0
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유연소자 인쇄 장비 기술 주역
조정대 인쇄전자연구실 실장. 한국기계연구원
조정대 인쇄전자연구실 실장. <한국기계연구원>

[인사이트코리아=노철중 기자] 프린터만 있으면 전자제품을 신문 인쇄하듯 뚝딱 생산할 수 있는 시대가 온다. 휴대폰을 둘둘 말아 다니고 컴퓨터를 옷처럼 입고 벗을 수 있다. 초박막 에너지 저장장치를 피부에 부착하고 다닐 수도 있다. 최근에는 롤러블 TV, 폴더블 휴대폰이 출시된 상태다. 얇은 태양광 전지를 찍어내기도 했다.

이러한 전자제품이 가능한 것은 유연한 성질을 가진 물질에 회로를 그릴 수 있는 인쇄전자(Printed Electronics) 기술 덕분이다. 인쇄전자는 다양한 기판(플라스틱·필름·종이·유리 등)에 전도성, 절연성, 반도체성 등 기능성 잉크를 인쇄하듯이 찍어내는 방식으로 만들어진 전자회로 또는 전자제품을 의미한다. 이 같은 성질의 다양한 전자제품을 만들기 위해서는 이를 인쇄할 수 있는 장비가 필요하다.

한국기계연구원 인쇄전자연구실은 국내 유일의 인쇄전자 장비 연구소다. 2002년 용융 메탈을 잉크젯팅 하는 헤드 개발에 도전하면서 본격적인 인쇄전자 연구의 닻을 올렸다. 2010년 인쇄전자연구실 연구팀은 나노 실버입자 잉크를 활용해 최하 7㎛(마이크로미터) 수준의 선폭을 연속적으로 대량 인쇄할 수 있는 미세 인쇄전자 생산 기술을 개발하는데 성공했다. 최근에는 선폭을 1㎛까지 줄였다.

4차 산업혁명과 함께 유연 전자(Flexible Electronics) 기술의 발전으로 문화의 흐름이 바뀌고 생활 패러다임이 변화하는 요즘이다. 투명하고 얇고 가볍고 휘어지는 인쇄전자 제품에 대한 요구가 점점 확대되고 있다. 인쇄전자연구실은 이를 실현하기 위한 기술 개발에 몰두하고 있다.

<인사이트코리아>는 대전 유성구에 위치한 한국기계연구원을 찾아 인쇄전자연구실을 이끌고 있는 조정대 박사로부터 인쇄전자에 대한 이야기를 들었다.

인쇄전자연구실은 주로 어떤 일을 하나요?

“인쇄전자연구실은 인쇄, 코팅 및 패터닝 공정과 연속생산시스템 연구개발을 통해 글로벌 유연인쇄전자 산업을 선도하고, 유연인쇄전자분야 세계 일류 연구실을 목표로 창의적 미래기술에 도전하고 있습니다. 연속생산장비 설계, 제작 및 제어기술 등 공정·장비 분야의 요소기술 연구, 기능성 유·무기재료를 활용한 유연인쇄전자소자 제작·응용 기술과 시험·평가·신뢰성 향상 기술을 개발하고 있습니다.”

인쇄전자 기술에 대한 간략한 설명 부탁드립니다.

“나노기술을 이용한 다양한 기능성 잉크가 개발되면서 인쇄 시장이 열리게 됐고, 그 중 전기·전자 기능을 갖는 잉크를 기반으로 한 인쇄전자 소자는 전 세계적으로 주목을 받으며 전자 소재 및 부품 분야의 패러다임으로 떠올랐습니다. 이 제품들은 저가격, 친환경, 유연성, 대면적, 대량 생산, 저온, 단순 공정 등의 장점을 가지고 있습니다.

초기의 인쇄전자 소자 시장은 RFID, 메모리, 디스플레이, 배터리, 조명, 센서, 유기 트랜지스터 등의 새로운 제품군에서 널리 활용될 것으로 전망되고 20년 후에는 수천억 달러가 넘는, 성장성이 유망한 대규모 산업으로 발전할 것으로 예측됩니다.

인쇄 공정은 접촉식(contact) 방식과 비접촉식(Nonimpact) 방식으로 나눌 수 있습니다. 접촉식 인쇄방식에는 평판(platen) 인쇄, 롤-평판(flat) 인쇄, 롤투롤(rollto-roll) 인쇄가 있습니다. 비접촉식 인쇄방식에는 잉크젯 인쇄가 대표적이죠.”

연구실의 대표적 연구 성과로 ‘롤 기반 하이브리드 유연전자소자 연속생산시스템 기술’을 꼽는데, 이 기술과 기존 인쇄전자 기술의 핵심적인 차이는 무엇인가요?

“롤투롤 이송 기반의 인쇄 연속 생산 기술과 기존 전자부품 생산에 사용되는 마스크 진공증착 방식을 접목해 유연기판에 직접 유·무기 재료를 박막 증착한 것이 롤 기반 하이브리드 유연전자소자 생산시스템의 특징입니다. 특히 마스크 증착 방식을 적용한 것은 저희가 세계 최초라고 할 수 있습니다.

OLED 조명, 사이니지(Signage) 시장을 목표로 기존의 스퍼터(sputter) 또는 화학·기상 증착(evaporator) 장비에서 불가능했던 화소(pixel) 구현이 가능하며 고화소·고유연 유기발광소자 생산 기술도 확보한 상태입니다. 또 유연기판 상 직접 다층박막 형성이 가능한 증착 장비 기술과 생산 공정 중 유연기판의 이송 오차를 측정, 추종 및 보정 할 수 있는 기술도 확보했습니다.

미래 전자 제품 시장에 큰 부분을 차지할 유연기판 기반 전자소자의 생산을 위한 소재, 공정, 장비 기술 개발 및 시스템을 구현했습니다. 지속적인 개발을 통한 웨어러블 유연 소자, 센서, 태양전지, 에너지 소자 등에 적용 가능한 생산 기술을 개발 중입니다.”

다양한 인쇄전자 제품들. 한국기계연구원
다양한 인쇄전자 제품들. <한국기계연구원>

4차 산업혁명 시대 인쇄전자 연구의 가치는 어떤 것입니까?

“초연결, 제4차 산업혁명 시대에 ICT와 결합한 정보처리와 정보 시각화에 대한 기술의 요구가 급격히 증가하고 있습니다. 현재 애플리케이션에 따라 기존의 딱딱한(rigid) 기반의 전자 소자를 대신할 유연 전자 소자로의패러다임 변화가 진행 중입니다.

전자소자는 최근 개인 맞춤화 및 높은 휴대성, 고기능화, 일회성화 등으로 그 가치가 변화하고 있습니다. 이러한 패러다임과 시장의 트렌드(Deformable·Potable·Wearable) 변화에 대응하기 위한 새로운 제조기술의 중심에 하이브리드 유연소자 연속생산시스템기술이 있습니다. 또한 신유망산업군의 낮은 제조단가 특성에 가장 적합한 고부가가치 생산 기술이기도 합니다.”

미래 산업에서 인쇄전자 연구의 궁극적인 목표는 무엇인가요?

“롤 기반 하이브리드 연속생산시스템 기술의 고도화를 통해 후방 산업의 경쟁력을 높여 국산화를 수행하고, 신규 시장 확장을 위해 중소기업 및 대기업과의 협업으로 새로운 유연 전자 제품 연구개발을 진행 중입니다.

기존 인쇄 기반 생산 방식에서 탈피해 유연전자 소자 생산의 새로운 패러다임에 대응하고, 선제적 연구개발을 통해 기반기술을 확보할 계획입니다. 유연 디스플레이, 웨어러블 유연소자, 스마트 센서, 신재생에너지소자 등 다양한 분야의 미래 고부가가치 산업이 新성장동력으로 자리 잡을 수 있도록 기여할 것입니다.”

반도체 제조공정을 인쇄전자 기술로 대체할 수 있나요?

“최근 저희가 주목받는 이유가 환경 문제 때문입니다. 탄소중립 측면에서 반도체 제조공정은 폐가스·폐액 등을 다량 배출합니다. 인쇄 공정으로 하게 되면 폐가스 99%, 폐액 95%를 감소할 수 있습니다. 뿐만 아니라 공정 수를 10분의 1 수준으로 줄일 수 있어 장비·시설에 대한 투자비도 절약할 수 있습니다.

현재로선 반도체 생산 라인을 인쇄 공정으로 완전히 대체하기는 불가능합니다. 다만 상호 보완·공존하는 방식으로 인쇄전자 장비를 도입하고 있습니다. 그러니까 일부는 반도체 공정으로, 일부는 인쇄 공정으로 생산하는 방식입니다.

문제는 인쇄 공정에서 반도체만큼의 정밀도를 구현할 수는 없는데 거의 모든 산업에서는 1㎛ 이하의 초정밀도를 요구하는 상황입니다. 그렇기 때문에 저희는 두 개의 공정이 공존할 수 있는 방법에 대해 고민하고 있습니다.”

미래에는 인쇄전자 기술이 어느 정도까지 발전할 수 있을 것이라고 보시나요?

“처음에 트랜지스터가 나오고 모든 집에 라디오가 들어갔듯이 모든 전자제품이 인쇄전자로 바뀌지 않을까 외국에서도 전망하고 있습니다. 삼성은 자동차뿐만 아니라 OLED 디스플레이, 웨어러블, 바이오·헬스, 스마트 패킹 등을 궁극적인 목표로 삼는다고 CES에서 발표한 바 있습니다.

바이오·헬스의 경우 약봉지를 뜯으면 전자회로가 깨지면서 휴대폰에 그 신호가 전달되면 환자가 약을 먹었는지 알 수 있는 기술도 가능합니다. 초대형 디지털 사이니지, 접을 수 있는 조명 등도 기대해 볼 수 있습니다. 또 포장지에 제품에 대한 정보를 문자로 표시할 수도 있을 것으로 예상됩니다.”

이러한 기술들을 산업화 하는데 한계는 없나요?

“문제는 해당 산업을 선도하는 기업들이 먼저 시작을 해야 중소기업들도 뛰어들면서 산업화가 이뤄지는데 시장 규모 기준에 못 미치면 선도기업들은 잘 움직이지 않는 경향이 있는 것 같습니다. 규모가 큰 자동차나 디스플레이 산업에서 일부 인쇄전자 기술을 도입하고 있지만, 인쇄전자 자체가 산업으로 성장한 사례는 해외에서도 아직 없습니다.”

산업계 지원은 어떻게 하고 있나요?

“장비 관련해서 기업들에 기술이전 하거나 공동 개발을 진행하고 있습니다. 정부의 정책 수립, 관련 기업 시험평가 등을 활발하게 진행하고 있습니다. 마지막으로 정부에 바라는 것이 있다면 지금 현재 시장이 구체화되지 않았지만, 산업적으로 성장하기 위해서는 정부가 선제적 지원에 나설 필요가 있어 보입니다.”

인사이트코리아, INSIGHTKOREA

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