전통적인 인쇄 회로 기판은 거의 항상 평평하고 2차원적입니다. 그러나 싱가포르 국립대학교 연구팀은 CHARM3D라는 스마트 신기술을 사용하여 회로 인쇄를 3차원으로 끌어올렸습니다. 이러한 인쇄 회로는 3차원적일 뿐만 아니라 자가 치유 기능도 있습니다.
평면이 아닌 수직으로 쌓아 올리면 구성 요소를 쌓을 수 있습니다. 이는 전자 제품의 설치 공간이 훨씬 작다는 것을 의미하며 요즘 우리 모두는 장치가 더 작고 날씬해지기를 원합니다. 하지만 3차원 회로를 구현하기 위해서는 DIW(Direct Ink Writing) 등 기존 방식이 난제다. 이러한 기술은 특수 복합 잉크를 사용하고 보조 재료가 필요하며 점성이 높고 속도가 느립니다.
CHARM3D는 몇 가지 영리한 재료 특성을 활용하여 완전히 다른 접근 방식을 취합니다. 인듐, 비스무트, 주석으로 만들어진 필드 금속이라는 금속 합금을 사용합니다. 이 합금은 녹는점이 약 62°C로 매우 낮고, 원활하게 흐르며 빠르게 자체 응고됩니다.
이러한 특성의 고유한 조합을 통해 CHARM 3D는 폭이 100~300미크론에 이르는 매우 부드럽고 균일한 3차원 금속 미세구조를 인쇄할 수 있으며, 이는 머리카락 몇 개 정도의 두께입니다. 구조에는 입방체 프레임, 수직 문자 및 접이식 나선형도 포함됩니다.
인쇄된 구조는 손상을 자가 치유할 수도 있습니다. 회로가 긁히거나 변형된 경우 낮은 융점 이상으로 가열하면 원래 모양으로 다시 굳어집니다. 이로 인해 회로의 내구성이 향상되고 재활용도 가능해집니다.
여기서 가능성은 엄청납니다. 연구원들이 언급했듯이 고해상도, 빠른 인쇄(초당 최대 100mm) 및 복잡한 3D 모양을 만드는 기능은 모든 종류의 멋진 작업에 유용합니다.
아마도 연구자들이 주목한 가장 큰 응용 분야는 의료 분야일 것입니다. 피부에 닿지 않고도 생체 신호를 모니터링할 수 있는 3D 프린팅 센서가 장착된 스마트 옷을 입는 것을 상상해 보세요. 또한 전자레인지를 사용한 유방암 종양의 조기 발견과 같은 보다 정확한 의료 영상화로 이어질 수도 있습니다. 연구팀은 이 기술을 사용하여 배터리가 필요 없는 웨어러블 온도 센서, 무선 생체 신호 모니터링용 안테나, 전자기파 조작용 메타물질을 제작했습니다.
연구를 주도한 벤자민 티(Benjamin Tee) 대학 부교수는 “CHARM3D는 더 빠르고 간단한 3차원 금속 프린팅 방법을 제공한다”며 “첨단 전자 회로 제조를 위한 솔루션으로서 산업 생산과 복잡한 3차원 전자 회로의 광범위한 채택에 큰 희망을 가져다준다”고 말했다.
물론, 연구자들은 아직도 해야 할 일이 많습니다. 그들은 CHARM3D를 다양한 기타 금속 및 구조 응용 분야에 적용하기를 희망합니다. 연구팀은 또한 이 기술을 더 넓은 산업 분야에 적용하기 위해 상용화 방법을 모색하고 있습니다. Nature 저널에 게재된 논문에서 전체 연구 내용을 확인할 수 있습니다.