살아있는 식물‧뼈에 전자 회로 인쇄를…

3D 프린터는 지금까지 없던 범용성을 갖춘 건축물이나 기계 부품, 전자기기 등을 제작할 수 있는 도구지만 온도에 민감한 물체 위에서 재료를 가열하기 어렵다는 문제가 있었다. 미국 라이스대학 연구팀이 마이크로파를 실시간으로 조정해 잉크로 3D 프린트한 나노 소재와 폴리머를 가열하는 기술을 개발했다.

3D 프린터로 전자 회로를 인쇄하는 기술은 이전부터 존재했지만 잉크 재료로 적층하는 도전성 나노 입자에 열을 가해 소결하고 전도성을 부여하는 공정은 10년 이상 병목에 빠져 있었다.

소결 과정에서 노를 사용하거나 레이저를 조사하는 방식은 전자 회로 기판이 되는 재료에도 막대한 열을 가하게 된다. 이 때문에 살아 있는 식물이나 외과용 임플란트 등 열에 약한 기판에는 사용할 수 없었다.

이에 연구팀은 메타물질에서 착안한 메타-NFS(Meta-NFS)라는 장치를 개발했다. 메타-NFS는 마이크로파 에너지를 머리카락 직경 정도인 200마이크로미터 미만 영역에 집중시켜 3D 프린터로 새롭게 적층된 재료만을 160℃까지 가열하고 주변 기판 재료는 낮은 온도로 유지할 수 있다.

메타-NFS는 적층된 재료 내부에서부터 가열해 작동하며 마이크로파를 실시간 조정해 연속적인 3D 프린팅 과정에서 나노 입자 결정 구조를 변화시키고, 서로 다른 전기적·기계적 특성을 프로그래밍할 수도 있다. 메타-NFS에서는 이처럼 200마이크로미터 미만 영역만을 가열하는 게 가능하다.

연구팀은 실제로 메타-NFS를 사용해 살아 있는 식물 잎 위에 도전성 미세 구조를 3D 프린트했다. 또 소 대퇴골 위에 미세한 변형을 감지해 데이터를 전송하는 무선 센서를 3D 프린트하는 데에도 성공했다고 보고했다.

연구팀은 인쇄 재료를 선택적으로 가열할 수 있는 능력에 의해 온도에 민감한 재료에 둘러싸여 있어도 잉크가 지닌 기능적 특성을 공간적으로 프로그래밍할 수 있게 된다면서 이를 통해 데스크톱 크기 3D 프린터 안에서 생체 고분자와 생체 조직을 포함한 다양한 기판 위에 복잡한 설비나 번거로운 수작업 없이 자유 형태 전자기기를 통합할 수 있다고 밝혔다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.