우리대학 기계공학과 (전자재료소자장비융합과 겸직)의 권계시 교수는 지도 학생인 Md Abu Mosa (전자재료소자장비융합과 박사과정)와 조정엽 (전자재료소자장비융합과 석사과정)과 함께 고성능 에어로졸 젯 프린팅 시스템을 개발 하였다.

이번 고성능 에어로졸 젯 (Aerosol jet) 프린팅 시스템의 개발은 ㈜ 프로텍과 과제 및 협력을 통하여 개발하였다. 본 연구를 통해 더욱 향상된 성능을 갖는 에어로졸 젯 장비를 개발하는 것이 가능하였다. 특히, 이러한 장비는 미국 Optomec사와 IDS사의 제품 이외에는 국내 및 국외의 상용화된 제품은 아직 보고되지 않고 있는 점에서 본 연구와 시스템 개발의 가치와 의의는 매우 크다.

에어로졸 젯 방식은 기능성 액체의 미세한 분무를 이용하여 프린팅하는 방식이다. 미세한 분무를 만들기 위하여 공압 방식을 사용하는데 이러한 미세 분무는 날리기 때문에 노즐부에서 다시 질소 가스로 모아 주는 메카니즘을 가지고 있다. 이렇게 모아 주는 gas를 sheath gas라고 하는데 이러한 특징 때문에 수십 마이크로미터 이하의 패턴을 다양한 표면 위에 프린팅 하는 것이 가능하다. 또한 분무된 액체는 빠른 증발을 하므로 표면 위에서 바로 솔벤트가 증발하여 프린팅 이후 액체가 흘러내림을 최소화 할 수 있어서 3차원 표면 등의 프린팅도 가능한 장점이다.

많은 장점을 가지고 있는 에어로졸 젯 프린팅 방식은 연속하여 발생되는 스프레이를 이용하기 때문에 프린팅 해야 할 시점과 하지 말아야 할 시점의 on off제어가 핵심 기술이다. 기존에는 외부에 기계적인 셔터를 달아서 프린팅의 on off를 제어 하였으나 셔터에 잉크의 물질이 쌓이고, 노즐 외부에 기계적인 장치를 달아야 하므로 노즐과 프린팅 하는 표면이 멀리 떨어져야 하기 때문에 프린팅 결과가 최적화 되지 않는 문제, 그리고 기계적으로 셔터링 하면서 일부 스프레이가 기판 위에 원하지 않게 튀는 문제등이 있었다. 따라서 본 장비 연구의 핵심은 이러한 외부 셔터 방식을 대체할 on-off 제어 방법을 개발하는 것에 촛점이 맞춰져 있었다. 본 연구는 외부가 아니라 내부에 기계적 밸브를 만들어서 에어로졸 젯을 on off하는 방식을 고려하였는데 이러한 방법은 스프레이 내부 압력이 일정하지 않고 천천히 변화 하기 때문에 토출량이 천천히 바뀌면서 on-off 되기 때문에 고속 토출 제어가 불가능하였다. 본 연구에서는 이러한 토출 메카니즘을 규명하였고 기존의 해외 유수한 장비에 뒤지지 않는 수준으로 프린팅 시스템의 성능 개선을 시켰다. 이를 적용하여 통합 프린팅 시스템 및 통합 소프트웨어를 개발하여 본 방법의 우수성을 증명하였다.

현재 개발된 장비는 다양한 사용처가 있다. 특히 액체로 된 것을 공압으로 분무만 되면 다양한 패턴과 선폭의 구현이 가능하므로 전도성 잉크를 사용한 각종 회로의 직접 인쇄, 바이오 재료를 사용한 바이오 및 메디컬 응용, 초발수 액체를 사용한 선택적 표면 패터닝, 투명전극의 패터닝등 응용 범위는 매우 넓다.

교신 저자인 권계시 교수는 “다양한 연구자들과 협력을 통하여 장비의 고성능화 및 응용 범위의 확대의 노력을 하고 있다. 본 연구를 통하여 개발된 에어로졸 젯 시스템 방식은 상용화에 근접한 수준으로 완성도가 높으며 개발된 기술은 특허 출원을 통하여 지적 재산권도 확보 중이다. 최근에는 프로젝트 리더로서 관련된 기술의 국제 표준화의 제정 (IEC)을 추진하고 있다.”라고 말했다.

연구결과는 최근 ‘Fast on-off control of aersol jet printing using internal rotary valve’ 라는 제목으로 국제학술지 Additive Manufacturing (IF: 11.632, Engineering, Manufacturing 분야 저널 랭킹 상위 1위 (1/51), 0.980%, 2021 JCR 기준) 2023년 4월호에 게재됐다.

(사진1, 개발한 에어로졸 프린팅 시스템 ) (사진2, 교신저자 권계시 교수, Md Abu Mosa, 조정엽)