반도체를 포함하는 새로운 잉크를 이용하여 연구자들은 최초로 발광다이오드(LED)를 인쇄할 수 있었다. 이는 3차원 인쇄술을 이용하여 반도체 및 다른 재료로부터 기능성 전자회로를 인쇄하는 새로운 방법을 개척할 가능성을 제시하고 있다.

3차원 인쇄기는 이미 금속이나 중합체로부터 시작품이나 예비 부품을 만들 수 있다. 이제 미국 프린스턴 대(Princeton University)의 연구자들은 반도체 및 다른 재료들을 이용하여 기능성 전자회로를 인쇄하는 방법을 개발함으로써 3차원 인쇄술이 가지는 가능성을 확대하는 데에 중요한 진전을 이룩하였다.

또한, 연구자들은 생체 적합성 재료나 심지어 살아 있는 조직과 전자공학을 결합하는 방법을 구체화하고 있으며, 이는 실험적인 새로운 종류의 이식(implant)을 위한 길을 열 수 있다.

반도체 잉크로 가득 찬 카트리지를 이용하여 모든 종류의 작업을 위한 회로를 인쇄하는 것이 가능할 수 있다고 이 연구를 이끌고 있는 프린스턴 대의 마이클 맥알파인(Michael McAlpine) 조교수가 말했다. 이러한 가능성을 시연하기 위하여 연구자들은 콘택트렌즈 내에 발광다이오드를 인쇄하였다.

컴퓨터 내부에 있는 프로세서나 디스플레이 회로는 나노미터 규모로 제작된 수많은 복잡한 구성요소들을 요구하기 때문에 3차원 인쇄술을 이용하기에는 적합하지 않다. 그러나 전자공학이 결합한 의료 기기나 이식을 수행하는 데에는 사용될 수 있다. 예를 들어 연구자들은 신경 조직을 성장시키기 위한 뼈대를 인쇄할 수 있다고 마이클 맥알파인 조교수가 전했다. 그리고 이러한 뼈대 내부에 발광다이오드 및 회로를 인쇄할 수 있다면, 광을 발생시켜 신경을 자극할 수 있으며, 사용된 전자공학은 의수와 접속하여 통신하는데 사용될 수 있다고 마이클 맥알파인 조교수가 제안하였다.

지난해(2013년) 마이클 맥알파인 조교수는 생체 전자 장치를 사용한 인공 귀를 3차원 인쇄기로 제작하였다. 이 인공 귀는 부드럽고 끈적거리는 히드로겔(hydrogel: 물을 분산 매체로 하는 겔)을 지지 매트릭스(supporting matrix)로 하여 살아 있는 조직으로부터 만들어졌다. 또한, 이 인공 귀는 은 나노입자의 현탁액으로부터 만들어진 전도성 잉크를 가지며, 무선 신호를 수신할 수 있는 전기 코일을 형성하였다.

이후로 마이클 맥알파인 조교수의 연구 그룹은 수신되는 음향을 처리할 수 있는 장치를 인쇄할 수 있도록 3차원 인쇄술을 반도체 재료로 확장하는 연구를 수행하고 있다. 반도체는 정보 처리 회로의 주요한 구성요소이며, 광을 탐지하고 방출하는 데도 사용될 수 있다.

3차원 인쇄술의 범위를 확장하기 위하여 마이클 맥알파인 조교수의 연구 그룹은 자체적으로 3차원 인쇄기를 제작하였다. 현재 시장에 출시된 대부분의 3차원 인쇄기는 단지 플라스틱을 인쇄하도록 설계되었다. “만약 기존의 3차원 인쇄기에 다른 재료를 사용하려고 시도한다면, 작동하지 못할 것”이라고 마이클 맥알파인 조교수가 말했다. 또한, 연구 그룹은 더 높은 해상도로 인쇄할 필요가 있다. 예를 들어 인공 귀는 밀리미터 크기를 가지는 특징들을 가지며, 발광다이오드를 만들기 위해서는 마이크로미터 규모가 되어야 한다.

발광다이오드를 만들기 위하여 프린스턴 대 연구진은 전류에 반응하여 매우 밝은 빛을 방출하는 반도체 나노입자인 양자 점(quantum dot)을 선택하였다. 또한, 연구진은 중합체와 실리콘 매트릭스뿐만 아니라 장치에 사용되는 전기 리드 및 접점을 만들기 위하여 두 종류의 금속을 사용했다. 이렇게 많은 잉크로 인쇄할 때의 난관은 잉크들이 서로 번질 수 있는 위험이다. 그래서 연구자들은 다른 것들과 섞이지 않는 용제에 각각의 재료들이 부유하도록 확실히 만들어야 했다.

마이클 맥알파인 조교수의 연구 그룹은 2x2x2로 층층이 쌓인 8개의 녹색 및 주황색 발광다이오드 입방체를 만들었다. 그리고 연구자들은 콘택트렌즈 표면의 곡률에 들어맞는 형상을 만들기 위하여 스캔을 수행한 후에 그 콘택트렌즈 상에 발광다이오드를 인쇄하였다.

“이 발광다이오드는 3차원 인쇄된 능동형 전자소자라는 난제의 일부에 불과하다”고 마이클 맥알파인 조교수가 말했다. 일단 연구자들이 능동형 전자장치에 사용되는 재료를 인쇄할 수 있으면, 정보 처리 회로, 센서, 광 탐지기 등의 구성요소들을 만들 수 있을 것이며, 결국 이들을 생물학적인 조직과 결합하게 될 것이라고 마이클 맥알파인 조교수가 예측하였다.

마이클 맥알파인 조교수와 그의 동료 연구자들은 3차원 인쇄술의 가능성을 빠르게 확대하고 있는 유일한 사람들이 아니다. “대부분의 3차원 인쇄술은 미화시킨 글루 건(glue gun: 접착제를 바를 때 사용되는 분무 기기)과 같아서 단지 중합체만을 인쇄한다”고 노스캐롤라이나 주립대(North Carolina State University)의 화학 공학자인 마이클 딕키(Michael Dickey)가 말했다. 마이클 딕키의 연구그룹은 마이클 맥알파인 조교수의 연구에 관련되지 않았지만, 늘어나는 자기 회복 전선으로 인쇄될 수 있는 액체 금속을 개발하였다.

그리고 생체 모방 공학을 전공한 교수인 미국 하버드 대(Harvard University)의 제니퍼 루이스(Jennifer Lewis)는 혈관을 포함하는 복잡한 패턴에서 여러 세포 형식을 결합함으로써 조직 공학을 위한 3차원 인쇄술을 개발하고 있다.

마이클 맥알파인 조교수는 맞춤화된 생체 의학 장치를 만들기 위하여 새로운 기법을 이용하고 있으며, 일부는 동물 연구를 통하여 시험되고 있다. 마이클 맥알파인 조교수는 아직 발표되지 않은 이 연구에 대하여 상세한 내용을 밝히는 것을 거부하였지만, 살아 있는 세포를 이용하는 복잡한 전자 장치를 만들기 시작했다는 것을 덧붙였다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』