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  • 새로운 전자기기 제조기술을 위한 광소결등록일 : 2015/12/02
  • 태양전지, 플렉서블 전자기기, 다양한 종류의 센서 및 종이나 플라스틱에 고성능 제품을 인쇄하는 것 등의 제품개발을 선도할 광소결(Photonic sintering)의 물리적 이해를 위한 근본적인 돌파구가 오레곤 주립대학(Oregon State University) 연구팀에 의해 마련되었다.

    소결은 나노입자를 용화시켜 고체 형태의 기능성 박막을 만드는 것으로, 차세대 기술 분야에서 상당한 가치를 가지고 있는 프로세스에 해당한다. 광소결은 나노입자 소결을 위한 다른 기술에 비해 빠른 속도와 저렴한 원가라는 장점을 가지고 있다.

    본 연구에서 오레곤 주립대학 연구팀은, 광소결을 조절하고 이해하려고 시도했던 이전의 연구들이 사용한 기본적인 물리학적 관점에 결함이 있었음을 발견하였다. 이 결함으로 인해 제품의 품질 및 프로세스의 효율을 과대평가하는 경향이 나타났던 것이다.

    Nature Scientific Reports ("On the self-damping nature of densification in photonic sintering of nanoparticles")에 개략적으로 소개된 이 프로세스에 대한 새로운 관점을 바탕으로, 연구팀은 훨씬 낮은 온도와 최소한 2배의 속도 향상 및 10배 이상의 에너지 효율성을 향상시키면서도 높은 품질의 제품을 생산할 수 있다는 믿음을 가질 수 있게 되었다.

    생산 온도, 속도 및 원가에 대한 제약을 제거하면, 종이 혹은 플라스틱 랩과 같이 저렴한 기질 상에 하이테크 제품을 인쇄할 수 있는 가능성이 높아진다.

    오레곤 주립대학 기계공학과 교수인 Rajiv Malhotra에 따르면, 광소결은 원하는 방식으로 나노입자를 서로 융합시키는 한 가지 방식으로, 많은 관심을 끌어왔다고 한다. 그러나 지금까지 이 프로세스의 기본적인 물리학에 대한 구체적인 이해가 바탕이 되지 않았었다. 예를 들어, 온도 변화 및 융화의 정도는 관계가 없었다고 여겨졌으나, 사실은 상당한 연관성이 있다.

    본 연구에서 소개된 개념을 가지고, 연구팀은 정교한 온도 조절을 통해 더 작은 나노크기를 제작하는 길을 열었다. 이것은 프로세스의 속도를 증가시키고 이전보다 2배 정도 낮은 온도에서 고품질의 제품을 생산하는 것을 가능하게 한다. 고유 자체감쇄 효과(self-damping effect)는 최종 필름에서 원하는 품질을 갖도록 하는데 중요한 역할을 담당하는 것이 밝혀졌다.

    낮아진 온도의 효과는 크다. 원자를 낮추기 위해, 연구팀은 이 나노테크 제품을 고온에서 태우거나 용융시킬 수 있는 종이 및 플라스틱에 인쇄하기를 희망하였다. 연구팀은 이것이 가능하며 어떻게 해야 하는지 알게 되었다. 이제 품질의 저하 없이 빠르고 저렴하게 생산할 수 있는 프로세스를 개발해야 했다고 소감을 밝혔다.

    본 연구를 바탕으로 하는 제품으로는 태양전지, 기체 센서, RFID(radiofrequency identification) 태그 및 다양한 플렉서블 전자기기를 예로 들 수 있다. 웨어러블 바이오메디컬 센서와 환경분야에서의 새로운 센서 기기도 출현하게 될 것이다.

    본 기술에서, 크세논(xenon) 램프에서 발생한 빛을 넓은 면적으로 전파하여 나노입자를 융화시킴으로써 기존의 열을 사용하는 방법에 비교해 기능성 박막을 훨씬 빠르게 제조할 수 있다. 산업용으로 사용하기 위해서는 대량생산할 수 있는 프로세스로의 규모 확대가 가능해야만 한다.

    본 연구는 나노재료를 산업화하는데 과학적 문제를 극복하는데 중점을 두고 있는 국립과학재단의 Scalable Nanomanufacturing Grant로부터 4년 동안 150만 달러를 지원받아 진행되었다. 본 연구를 위해 오레곤 주립대학의 Chih-hung Chang, Alan Wang 및 Greg Herman도 참여하였다.

    연구팀은 두 곳의 제조업자와 함께 개념증명적 성격의 설비를 실험실에 구축할 예정이며, 이후 이 기술을 상업 생산에 응용할 계획이다.

    그림 1> 본 연구에서 사용된 광소결을 위한 실험장치의 개념도
    그림 2> SEM 영상 (a) 소결되지 않는 10nm잉크, (b) 소결된 10nm 잉크의 단면, (c) 소결되지 않은 20nm 잉크, (d) 소결된 20nm 잉크, (e) 소결되지 않은 40nm 잉크, (f) 소결된 40nm 잉크
  • 키워드 : 광소결, 나노입자, 자체 감쇄
  • 출처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑