상온의 3차원 프린팅(3D 프린팅)으로 원하는 형태와 크기의 '초소형 적외선 센서'를 제작할 수 있는 기술이 국내에서 세계 처음으로 개발됐다.
KAIST는 기계공학과 김지태 교수 연구팀이 고려대 오승주 교수, 홍콩대 티안슈 자오(Tianshuo ZHAO) 교수와 공동으로 상온에서 10㎛ 이하의 초소형 적외선 센서를 제작할 수 있는 3D 프린팅 기술을 개발했다고 3일 밝혔다.
적외선 센서는 눈에 보이지 않는 적외선 신호를 전기 신호로 변환하는 핵심 부품이다. 로봇 비전 등 다양한 분야의 미래형 전자기술을 구현하는 데 필수적 요소로 활용돼 센서의 소형·경량화 그리고 다양한 형태(폼팩터)를 구현하는 데 역할 비중도 커지고 있다.
하지만 기존 반도체 공정 기반의 제조 방식은 대량 생산에는 유리하지만 빠르게 변화하는 기술 수요에 유연하게 대응하는 데는 장벽이 됐다. 무엇보다 고온 공정이 필수적이라는 점은 소재 선택을 제한하고 에너지 소비가 많은 한계로 작용했다.
연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 금속·반도체·절연체 소재를 각각 나노 결정 형태의 액상 잉크로 만들어 단일 프린팅 플랫폼에서 층층이 쌓아 올리는 초정밀 3차원 프린팅 공정을 개발했다.
이를 통해 적외선 센서의 핵심 구성 요소를 상온에서 직접 제작할 수 있게 돼 맞춤형 형태와 크기의 초소형 센서 구현이 가능해졌다.
특히 연구팀은 나노 입자 표면의 절연성 분자를 전기가 잘 통하는 분자로 바꾸는 '리간드 교환(Ligand Exchange)' 기법을 3D 프린팅 과정에 적용해 고온 열처리 없이도 우수한 전기적 성능을 확보했다. 이 결과 사람 머리카락 굵기의 1/10 수준(10㎛ 이하)의 초소형 적외선 센서를 제작하는 것이 가능해졌다고 연구팀은 강조한다.
김 교수는 "공동연구팀이 개발한 3차원 프린팅 기술은 적외선 센서의 소형·경량화를 넘어 기존에 상상하기 어려웠던 혁신 폼팩터 제품개발을 앞당길 기폭제 역할을 할 것"이라며 "무엇보다 고온 공정에서 발생하는 막대한 에너지 소비를 줄일 수 있는 점은 생산단가 절감과 친환경적 제조공정을 실현케 해 적외선 센서 산업의 지속 가능한 발전에 기여할 것으로 보인다"고 말했다.
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한편 이번 연구는 과학기술정보통신부의 우수 신진연구, 국가 전략기술 소재 개발사업, 원천기술 국제 협력 개발사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과(논문)는 최근 '네이처 커뮤니케이션스' 온라인판에 게재됐다.
대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr
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