신문을 인쇄하는 것과 같은 기존의 롤-투-롤(roll-to-roll) 인쇄 공정을 사용하며 그래핀 잉크를 인쇄하는 저렴하고 고속의 인쇄기법은, 저렴한 인쇄 전자기기, 스마트 포장 및 일회용 센서와 같은 다양한 실용적 분야에서의 활용 잠재력을 크게 높여줄 수 있다. 

케임브리지 대학(University of Cambridge) 및 Novalia 회사의 연구팀이 개발한 방법은, 기존의 수용성 잉크에 그래핀(grapheme) 및 다른 전기 전도성 물질을 첨가하고 기존의 장비를 이용해 인쇄하는 것이 가능하다. 본 방법은 고속의 대규모 상업적인 인쇄기(printing press)에서 인쇄하는데 그래핀을 활용한 첫 사례이다. 

그래핀은 탄소 원자로 이루어진 원자 한 개의 두께를 갖는 2차원적인 시트(sheet)이다. 그래핀의 유연성, 광학적 투명성 및 전기전도성은, 인쇄 전자기기를 포함한 다양한 분야에 적합한 성질이다. 비록 전세계적으로 다양한 실험실적인 프로토타입(prototype)이 개발되고 있지만, 그래핀의 광범위한 상업화는 아직 실현되지 않고 있다. 

본 기법을 개발한 케임브리지 그래핀 센터(Cambridge Graphene Centre)의 Tawfique Hasan 박사에 따르면, 연구팀은 실제 제조공정과 유사한 그래핀 잉크를 처음으로 개발한 점에 대해 기뻐하고 있다. 그래핀 잉크를 생산하는 회사는 다수 존재하지만, 이들 중 어느 곳도 이정도 대규모 상업화에 적합하지는 않았기 때문이다. 상업적 규모에서 고속으로 무리 없이 사용할 수 있는 전도성 잉크를 생산할 수 있다는 것은, 그래핀 및 다른 유사물질의 활용 범위를 넓혀주는 계기가 되고 있다. 

개발된 방법을 사용하면 완전히 새로운 형태로 전자 시스템을 구현해 낼 수 있다. 케임브리지대학 산하 나노과학센터(Nanoscience Centre)에서 개발된 Hasan의 방법은, 운반자 역할을 하는 용매(carrier solvent) 혼합물에 작은 그래핀 입자를 분산시킨 것으로, 전도성 수용액 기반의 잉크 배합에 첨가하여 사용한다. 액체의 성질을 조절하기 위해 각 성분의 비율을 변화시킬 수 있으며, 저항을 크게 감소시키기 위해 기존의 전도성 수용액 기반의 잉크에 운반자 용매를 손쉽게 혼합하는 것이 가능해진다. 그래핀 외에 금속성, 반도체성 및 절연성 나노입자에도 동일한 기법을 이용할 수 있다고 연구팀은 밝혔다. 

현재, 인쇄 전도성 패턴은 값비싼 은(silver)과 같은 다른 물질과 전도성이 떨어지는 탄소를 조합하여 사용하고 있다. 은 기반의 잉크는 킬로그램당 비용이 ￡1000 (1,000 파운드) 이상인 반면, 새로운 그래핀 잉크는 25배 더 저렴하다. 게다가, 은은 재활용이 안 되지만, 그래핀 및 다른 탄소 물질은 손쉽게 재활용이 가능하다. 개발된 새로운 방법은 저렴하고 비독성이며 친환경적인 용매를 사용하는데, 상온에서 빠르게 건조되어서 잉크의 경화를 위한 에너지 비용을 절감시킬 수 있다. 일단 건조되면, 전도성 잉크는 방수(waterproof)가 되며 기질에 매우 잘 부착된다. 

그래핀 기반의 잉크는 분단 100미터 이상의 속도로 인쇄가 가능하였는데, 이것은 상업적으로 그래핀 인쇄의 속도와 일치하는 것이며 기존의 프로토타입에 비해 속도가 크게 향상된 것이다. 2년 전, Hasan 등은 그래핀 기반의 잉크를 이용해 투명하고 유연한 피아노 프로토타입을 제작한 적이 있다. 이것을 제작하기 위해 6∼8 시간이 소요되었다. 하지만 새로운 잉크를 사용하면, 종이 혹은 플라스틱 상에 분당 300미터의 속도로 인쇄가 가능하기 때문에 원가도 절감된다. 

Hasan, 박사과정 학생인 Guohua Hu와 Richard Howe, 그리고 케임브리지 그래핀 센터 산하 하이브리드 나노재료 공학팀(Hybrid Nanomaterials Engineering group) 소속의 Zongyin Yang 등은 Novalia사와 함께 상업용 인쇄기에서 개발된 기법을 실험하였다. 이를 위한 그래핀 잉크에 어떤 부가적인 조치를 필요로 하지 않았다. 본 방법은 그래핀의 새로운 활용 가능성을 열어주었으며, 전자사업 분야에서의 다각화를 위한 상업용 그래핀 인쇄기의 새로운 사업기회를 제공해 주고 있다. 

영국 및 케임브리지 지역은 인쇄 분야에서 오랫동안 경쟁력을 유지해 왔지만, 대부분 포장 및 그래핀 인쇄가 주력 분야였다. 연구팀은 이 분야의 전문지식을 기능성 잉크 플랫폼과 결합시키고자 한다. 또한 더 저렴한 인쇄 전자기기와 더불어, 스마트 포장 및 일회용 센서와 같이 비용 문제로 활용하지 못했던 분야에서의 실용화를 앞당길 것으로 기대하고 있다. 

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』