사진설명. 왼쪽부터 임성준 교수, 박의용 박사과정 학생

전자전기공학부 임성준 교수 연구팀이 특수한 물질을 활용한 잉크젯 프린팅을 통해 3D 프린팅 구조물 위에 RF 센서를 부착하는 기술을 개발하는 데 성공했다. 단순 부착을 넘어 RF 센서의 미세유체 감지력을 기존 대비 10배 가량 증가시키는 효과까지 거뒀다는 점에서 향후 3D 프린팅 기술과 RF 소자의 결합이 필요한 생물학·의학 분야 진단기술 발전 등 다양한 분야에 두루 활용될 수 있을 것으로 기대를 모은다.

임성준 교수와 박의용 박사과정 학생은 잉크젯 프린터를 활용해 3D 프린터로 만든 구조물 표면의 거칠기를 개선하고, 그 위에 RF(Radio Frequency) 센서를 직접 프린팅할 수 있는 기술을 개발했다. RF 센서는 도난방지시스템, 동작감지센서 등 다양한 분야에서 활용되고 있는 고급형 송수신 방식의 센서를 뜻한다.

사진설명. 연구팀 연구성과 표지논문 선정 이미지

기존에는 3D 프린팅 구조물과 RF 소자를 결합하는 미세유체 소자 제작 시 ‘SLA(stereolithographic) 3D 프린팅’ 방식을 주로 활용했다. 빛을 받으면 고체로 변하는 광경화성 수지를 강한 레이저로 경화시켜 조형하는 이 방식은 높은 제작 해상도가 장점이다.

문제는 한계가 뚜렷하다는 점이다. SLA 3D 프린팅 사용 시에는 표면이 거친 3D 프린팅 구조물의 특성 때문에 복잡한 회로를 구성할 수 없었다. 별도로 제작한 구조물과 안정적으로 결합하는 것도 쉽지 않았다. 고에너지를 이용해 표면의 거칠기를 강제로 낮추고, 접착 성분을 지닌 새로운 층을 추가하는 추가공정이 필요했다.

추가공정이 필요하다는 것은 곧 3D 프린팅 구조물의 제작 자유도가 낮아진다는 것을 의미한다. 또한, RF 센서와 같이 높은 전도도와 제작 해상도를 요구하는 센서와 결합하는 경우 소자 손상이 발생하거나 센서의 미세유체 감지 능력이 약화되는 결과로 이어지기 쉽다.

사진설명. 제작한 RF 센서 사진

사진설명. 잉크젯 프린터를 이용한 3D 프린팅 구조의 표면 조도 감소 및 RF센서 직접 형성과정 설명도

연구팀은 기존 방식과 달리 SU-8 물질의 잉크젯 프린팅을 활용해 문제를 해결했다. 3D 프린팅 구조물 위에 잉크젯 프린팅을 함으로써 표면의 거칠기를 낮추고 추가 접착층 없이 구조물 위에 RF 구조를 바로 프린팅하는 데 성공했다.

연구팀은 새롭게 개발한 방식을 적용할 시 3D 프린팅 구조물 표면의 거칠기가 200nm(나노미터)에서 필름 수준인 1.8nm로 감소하는 것을 확인했다. 또한, 미세유체구조 표면에 RF 소자를 직접 잉크젯 프린팅 할 시 높은 전도성과 더불어 높은 제작 해상도를 유지할 수 있다는 점과 전파의 위상 변화 범위를 기존 대비 10배 증가시킬 수 있다는 점도 밝혔다.

임성준 교수는 “이번에 개발한 기술을 통해 미세유체공학을 기반으로 한 생물학·의학 분야의 진단 기술들을 발전시킬 수 있을 것”이라며 “3D 프린팅 기술과 RF 소자의 결합이 필요한 분야에도 적용될 것으로 기대한다”고 전했다.

이번 연구성과는 과학기술정보통신부가 주관하는 소재혁신사업과 중견연구자지원사업의 결과물이다. 미세유체역학 및 마이크로 전분석 시스템 분야의 세계적 권위 국제 학술지인 ‘영국왕립화학회 랩온어칩(Royal Society of Chemistry. Lab on a Chip)’에 11월 21일자로 게재됐으며, 표지 논문으로도 선정됐다.

연구 관련 상세 내용은 ‘3D 프린팅 된 미세유체구조 위에 직접적으로 잉크젯 프린팅함으로 프린팅된 물질과 유체 물질 간 상호작용을 통해 큰 위상 변화를 얻을 수 있는 초고주파 센서(Dynamic phase control with printing and fluidic materials' interaction by inkjet printing an RF sensor directly on a stereolithographic 3D printed microfluidic structure)’ 논문을 통해 확인 가능하다.

*7번째 문단, RF 소자를 직접 잉크젯 프린팅 할 시의 구체적인 수치 설명

- 높은 전도성 : 8 × 106 S/m

- 높은 제작 해상도 : 50um

** SU-8물질 : 부드러운 표면을 가지는 두꺼운 패턴을 만들 때 사용하는 음성감광제(Photoresist)의 한 종류. 감광 처리 후 강성이 높고 화학적으로 안정적인 특징을 지님

*** 전파의 위상 변화 범위 10배 증가 관련 설명 : 1 마이크로 리터당 전파의 위상 변화 범위(Phase shifting range/1μL)가 10배 증가했음을 의미함