고분자 3D 프린팅 구조체

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특 집

16 Polymer Science and Technology Vol. 33, No. 1, Feburary 2022

1. 서론

3D 프린팅 기술은 기존의 전통적인 제조 공정에 비해서 디자인 설계 자유도, 제조 공정 중 재료 낭비를 최소화할 수 있다는 장점 때문에 여러 산업 분야에서 많은 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근에는 고분자 기반의 3D 프린팅 기술인 digital light processing(DLP), stereolithography(SLA), fused deposition modeling(FDM), selective laser sintering(SLS)으로 제작된 3D 구조체 표면에 전도성 금속층 또는 전도체 패턴 결합을 통한 전자 부품 제작 연구가 많은 관심을 받고있다. 3D 프린팅 공정을 통해서 개인의 요구 사항이 반영된 개인 맞춤형 전자 부품 제작이 가능하고, 또한 기존에 전자 부품들을 구성하던 금속들을 고분자로 대체함으로써 전자 부품의 경량화까지도 가능하기 때문이다. 대표적인 예시로써, CNC 밀링 등 금속 가공 공정을 이용해서 제작된 Al, Cu 기반의 금속 waveguide에 비해서, 고분자 3D 프린팅 공정으로 제작된 waveguide 표면에 전도성 금속층을 형성시킴으로써 소자의 무게, 재료 및 공정 비용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 연구가 최근 발표된 바 있다.¹³ 고분자 3D 프린팅 구조체에 전도성 금속층이나 전도체 패턴을 결합할 수 있는 방법으로 많이 적용 되고 있는 방법 중 하나는 Ag 와 같은 전도성 입자가 포함된 전도성 잉크를 구조체 표면에 코팅 또는 인쇄하는 방법이다.

그러나 전도성 잉크 자체의 비교적 높은 비용 문제와 더불어서 큰 사이즈나 복잡한 형상의 고분자 구조체 표면에는 전도성 잉크를 적용하기 어렵다는 측면에서 해당 방법은 많은 제약이 있다. Sputtering 공정을 이용해서 전도성 금속층을 고분자 3D 프린팅 구조체 표면에 코팅하는 방법도 제안된 바 있다.⁴그러나 해당 방법도 큰 사이즈나 복잡한 형상의 구조체 표면에는 적용이 어렵다는 한계가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 최근 도금 공정을 이용하여 고분자 3D 프린팅 구조체 표면에 전도층을 결합할 수 있는 방법이 주목 받고 있다. 이들 방법은 고분자 구조체의 사이즈나 형상에 큰 제약을 받지 않고, 비교적 쉽게 전도층을 결합시킬 수 있다는 측면에서 실제 산업 현장으로의 적용에 큰 장점을 가지고 있다. 본 특집에서는 고분자 3D 프린팅 구조체 표면에 도금 공정을 통한 전도성 금속층을 결합시키는 방법 및 이를 이용한 응용 기술 동향을 소개하고자 한다.

2. 본론

2.1 무전해 도금 공정을 이용한 전도층 형성

무전해 도금법은 전기를 사용하지 않고 자가 촉매적 화학 환원 반응을 통해 고분자 표면 위에 금속층을

고분자 3D 프린팅 구조체

전도층 결합 및 응용 기술 동향

Integration of Conductive Metal Layers/Patterns on 3D Printed Polymers

양현승ㆍ이우성

|

Hyunseung YangㆍWoo Sung Lee Electronic Convergence Materials & Devices Research Center, Korea Electronics Technology Institute,

#25 Saenari-ro, Bundang-gu, Seongnam-si, Gyeonggi-do 13509, Korea E-mail: hsyang@keti.re.kr, wslee@keti.re.kr

양현승

2010 KAIST 생명화학공학과 (학사) 2012 KAIST 생명화학공학과 (석사) 2016 KAIST 생명화학공학과 (박사)

2016-현재 한국전자기술연구원

선임연구원

이우성

1990 고려대학교 금속공학과 (학사) 1992 고려대학교 금속공학과 (석사) 2008 고려대학교 신소재공학과 (박사)

1997-현재 한국전자기술연구원 수석연구원

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고분자 과학과 기술 제 33 권 1 호 2022년 2월 17 형성하는 방법으로써, 화학반응을 위해서 도금하고자 하는

형상의 표면에 전처리 공정이 요구된다. 고분자 구조체 표면에 무전해 도금을 효과적으로 진행하기 위해서는 catalytic seed (ex : Pd, Ag, polydopamine)를 이용한 고분자 표면의 활성화 과정이 필요하다. 무전해 도금 공정에서는 고분자 3D 프린팅 구조체 표면을 에칭(etching) 공정을 통해서 catalytic seed 들이 잘 결합할 수 있도록 rough 하거나 친수성 성질을 갖는 표면으로 유도하고, catalytic seed를 구조체 표면에 결합시킴 으로써 무전해 도금 공정을 진행할 수 있다(그림 1).^5,6

Pd와 같은 catalytic seed들의 고정화에 polyelectrolyte를 활용할 수 있다. J. Yang 연구진에서는 상용 3D 프린팅 레진으로 제작된 3D 구조체 표면에서 atomic transfer radical polymerization 방식으로 polyelectrolyte brush을 중합하였고, Pd 이온을 polyelectrolyte brush 내부에 고정화 함으로써 3D 구조체 표면에 균일한 Cu 및 Ni 도금층을 형성할 수 있었다.⁷⁹특히, 해당 연구진은 Ni 층을 결합한 3D 프린팅 로봇 구조체의 soft magnetic 특성을 활용함으로써, 자기장을 이용한 3D 프린팅 로봇 구조체의 원격 제어도 선보였다.⁸더 나아가 J.

Yang 연구진에서는 3D 구조체 표면에 polydopamine을 결합 시킴으로써 전도성 금속층을 형성하는 연구도 발표하였다.

DLP 방식으로 제작된 고분자 3D 프린팅 구조체 표면에 polydopamine을 중합하고, polydopamine에 있는 catechol 그룹을 무전해 도금 공정에 활용함으로써 Cu, Ag, 그리고 Au와 같은 전도성 금속층을 성장시킬 수 있었다(그림 2).¹⁰

해당 연구진은 높은 전도도 특성을 갖는 금속층이 결합된 3D 프린팅 구조체를 활용함으로써, 임의의 주파수 대역을 차단 혹은 투과하는데 사용될 수 있는 3D 구조체(3D frequency selective structures) 구현도 가능하다는 것을 선보였다. 이와 비슷한 방법으로 W. S. Kim 교수 연구진에서는 polylactic acid 기반의 3D 프린팅 구조체 표면을 polydopamine으로 처리함으로써, 3D 프린팅 구조체 표면에 Cu 무전해 도금 공정이 진행 가능함을 보고하였다. 특히, 연구진은 3D 프린팅 된 toroidal inductor 표면에 Cu 층을 결합시킴으로써, 해당 기술을 활용한 전자부품 제작 가능성도 제시하였다.¹¹

2.2 3D 프린팅 구조체 표면 나노 입자 도입을 통한 전도층 형성

3D 프린팅 구조체 표면에 catalytic seed로 활용 가능한 나노입자를 직접 결합시킴으로써 무전해 도금을 진행하는 방법도 보고되었다. S. H. Kim 연구진에서는 3D 프린팅 구조체 표면에 electrostatic interaction을 이용해서 Au 나노입자를 결합시켰고, Au 나노입자를 무전해 도금 공정용 catalytic seed 로 사용하여 3D 프린팅 구조체 표면에 균일한 두께의 Au 층을 형성하였다.¹²고분자 3D 프린팅 구조체 표면에 Cu complex 잉크젯 잉크를 프린팅함으로써 무전해 도금 공정을 위한 catalytic seed 층을 형성하고 이를 이용하여 Cu 무전해 도금 공정을 진행하는 방법도 보고되었다. S. Magdassi 연구진 에서는 3D 프린팅 구조체 표면에 Cu complex를 포함하는 잉크를 프린팅하고, 플라즈마 처리를 통해서 Cu complex를 Cu metal 형태로 변환하였다.¹³이후 Cu metal 은 무전해 도금용 catalytic seed로 활용되어 3D 프린팅 구조체 표면에 Cu 층을 형성시킬 수 있었다. 해당 연구진은 본 기술을 활용함으로써 near-field communication 안테나 패턴이 결합된 3D 프린팅 구조체를 구현하였고, 이를 이용한 전자부품 활용 가능성도 제시하였다. 3D 프린팅 구조체 표면에 나노입자를 성장시킨 후 이를 Cu 무전해 도금 공정용 catalytic seed로 활용함으로써 Cu 층을 형성하는 방법도 개발되었다. J. Marques-Hueso 연구진에서는 poly(etherimide)(PEI) 기반의 3D 프린팅 구조체 표면의 imide 그룹을 alkaline hydrolysis과 silver ion exchange 단계를 거쳐서 3D 프린팅 구조체 표면에 silver polyamate를 그림 1. (a) 고분자 3D 프린팅 구조체 표면 무전해 도금 공정 모식도,

(b) 3D 프린팅된 microscafold 모습, (c) Cu 도금층, (d) CoNiP 도금 층, (e) Au 도금층이 결합된 상태, Reproduced from Ref. 5 with permission from the Royal Society of Chemistry.

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특 집 | 고분자 3D 프린팅 구조체 전도층 결합 및 응용 기술 동향

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형성하였다. 이후 silver polyamate는 photodecomposition 과정을 거쳐 Ag 나노입자로 환원이 되고 무전해 도금용 catalytic seed로 활용될 수 있다. 해당 연구진은 본 기술을 활용하여 3D PEI 구조체 표면에 Cu 층 또는 Cu 패턴을 형성할 수 있었고, 이를 이용한 무선 통신이나 near-field wireless power transfer 부품 제작으로의 가능성을 선보였다(그림 3).^14,15

2.3 Laser를 이용한 3D 프린팅 구조체 표면 전도층 형성 고분자 3D 프린팅 구조체 표면을 laser irradiation 공정 후 laser irradiation 된 영역에만 무전해 도금을 진행하여 전도성 금속층을 형성시킨 연구 내용이 최근 발표된 바가 있다. 한국전자기술연구원 양현승, 이우성 박사 연구팀에서는 UV laser에 활성이 가능한 ZnO 나노 입자가 복합된 3D 프린팅 구조체 표면에 UV laser irradiation하고, laser 공정에 의해 외부로 노출된 ZnO 나노 입자를 Cu 무전해 도금 공정용 catalytic seed로 활용함으로써 Cu 도금층을 형성하였다.

완성된 Cu 도금층은 높은 부착력과 우수한 전기 전도성을 나타내었다. 특히, 복잡한 형상의 3D 프린팅 구조체에 UV laser 공정과 Cu 무전해 도금을 진행하였을 때, 3D 프린팅 구조체의 형상에 상관없이 laser irradiation 된 영역에만 Cu 층이 균일하게 형성된 것을 알 수 있었다(그림 4).¹⁶

J. Li 연구진에서는 NIR laser-sensitive additives를 포함하는

고분자 3D 프린팅 구조체 표면에 laser irradiation 공정과 무전해 도금 공정을 통해서 전도성 금속층을 형성시키는 연구 결과를 보고하였다. NIR laser-sensitive additives로 알려진 copper hydroxide phosphate를 포함하는 고분자 3D 프린팅 구조체에 NIR laser irradiation을 진행하게 되면, laser irradiation 된 영역의 copper hydroxide phosphate가 Cu로 변환된다. 변환된 Cu는 무전해 도금 공정을 위한 catalyst seed로 활용되어 수 급 두께를 갖는 Cu 패턴을 형성시킬 수 있었다. 해당 연구진은 Cu 패턴이 결합된 3D 프린팅 구조체에 LED와 coil detector, battery를 함께 결합함으로써 electroprobe 또는 안테나 등의 전자부품을 구현하였다(그림 5).¹⁷ 특히, 본 기술은 laser를 이용하여 3D 프린팅 구조체 표면에 결합되는 Cu 패턴을 보다 정교하게 제어할 수 있다는 측면에서 추후 3D 프린팅 기반의 고집적 전자부품 제작을 위한 혁신적인 기술로 활용될 것으로 기대된다.

2.4 전해 도금 공정을 이용한 전도층 형성

전해 도금 공정은 무전해 도금 공정과 달리 전기를 사용하여 고분자 표면 위에 금속층을 형성하는 방법으로써, 고분자 3D 프린팅 구조체 표면에 전해 도금을 효과적으로 진행하기 위해서는 구조체 표면에 전도성이 부여되어야 한다. K. K.

So 그룹에서는 상용 3D 프린팅 공정으로 제작된 고분자 기반의 antenna array 구조체 표면에 전도성을 부여하기 위해서 Cu 페인트를 표면에 코팅하였고, Cu 전해 도금 공정을 통해서 3D 구조체 표면 전면적에 Cu 전도층을 도입할 수 있었다.

그림 3. (a) 안테나 패턴 결합된 Pill 캡슐 형상 3D PEI 구조체, (b) near-field wireless power transfer 용 RF coil이 결합된 3D PEI 구조체.¹⁵

그림 4. (a) UV laser 및 Cu 무전해 도금 공정을 이용한 3D 프린팅 구조체 표면의 Cu 패턴 결합 공정 모식도. (b) 3D 프린팅 구조체. (c) UV laser 패터닝된 3D 프린팅 구조체. (d) Cu 도금층이 결합된 3D 프린팅 구조체 Reprinted with permission from Ref. 16. Copyright 2022 American Chemical Society.

그림 5. (a-d) NIR laser 및 Cu 무전해 도금 공정을 이용한 3D 프린팅 구조체 표면의 Cu 패턴 결합 공정; (e) Cylindrical quadrifilar helix GPS 안테나. (f) Umbrella-shaped 안테나. Reprinted with permission from Ref. 17. Copyright 2022 American Chemical Society.

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고분자 과학과 기술 제 33 권 1 호 2022년 2월 19 제작된 antenna array 구조체는 aluminum을 기반으로 제작된

기존 metal antenna array에 비해서 원가 절감과 더불어 경량화가 가능하다는 것을 확인하였다.¹⁸A. M. Cook 연구진 에서는 DLP 방식의 3D 프린팅 기술로 제작된 serpentine waveguide circuit 구조체에 Au sputtering을 함으로써 표면에 전도성을 부여하고, 이후 전해 도금 공정을 통해서 Cu 전도층이 결합된 serpentine waveguide circuit 를 구현하였다.¹⁹또한 전해 도금 공정을 이용해서 3D 구조체의 선택적 영역에만 전도층을 형성하는 기술도 보고되었다.²⁰²² N. Lazarus 연구진에서는 전도성을 갖고 있는 고분자 필라멘트와 비전도성 고분자 필라멘트를 동시에 FDM 방식의 3D 프린팅 기술에 적용하여 3D 구조체를 제작하였고, 3D 구조체 중 전도성 필라멘트로 제작된 영역에만 전해 도금 공정을 진행하였다.

해당 연구진은 본 기술을 활용함으로써 solenoid inductor 제작과 회로 및 chip이 결합된 전자 패키지 제작도 가능함을 선보였다.^20,21

3. 결론

본 특집에서는 도금 공정을 이용한 고분자 3D 프린팅 구조체 표면 전도층 결합 및 응용 기술 관련 최근 연구동향에 대해 살펴보았다. 이 기술은 기존 전자부품 제작에 사용되었던 형상 구현 및 회로 형성 공정에 비해서 공정 편의성을 주는 것과 더불어서 금속의 고분자로의 대체 및 전자부품 핵심 소자와 전기 배선 등의 고집적화를 통한 경량화된 전자부품 제작이 가능하다는 점에 있어서 각광을 받고 있다. 특히, 최근에는 3D 프린팅용 고분자 소재와 전도층 결합 기술을 이용한 radio frequency 소자 제작 및 응용 연구가 주목받고 있다. 추후 3차원 패키지 형태의 회로와 형상이 결합된 전자 부품 제작을 포함한 응용 분야에 본 기술이 활발히 적용되기 위해서는 3D 프린팅 구조체의 해상도 향상, 표면 조도 제어, 전도성 금속층의 부착 안정성 및 전기 전도성 향상 등의 기술적 발전이 요구된다.

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