한국전기연구원(KERI) 스마트3D프린팅연구팀이 신소재 ‘맥신(MXene)’을 활용해 첨가제 없이 초고해상도 3D 미세 구조물을 제작하는 기술을 개발했다. 기존 방식의 한계를 극복한 이번 연구는 전자·배터리 산업에서 활용될 가능성이 높다.

맥신 3D 프린팅 활용의 한계 극복
맥신은 전기 전도성과 전자기 차단 효과가 뛰어나 차세대 배터리와 전자기 차폐 소재로 주목받고 있다. 그러나 3D 프린팅에 적용하려면 첨가제(바인더)가 필요했으며, 최적의 잉크 점도를 조절하는 과정에서 공급량 조절의 어려움과 물질 본연의 성질 저하 문제가 있었다.

연구팀은 메니스커스(Meniscus) 방식을 적용해 친수성 특성을 지닌 맥신을 물에 분산시키는 방안을 마련했다. 이를 통해 낮은 점도로도 미세한 구조물을 형성할 수 있는 3D 프린팅용 나노 잉크를 개발했다.

첨가제 없이 고해상도 미세 구조 구현
새롭게 적용된 방식은 3D 프린터 노즐에서 잉크를 분사하면 맥신이 메니스커스를 따라 이동하며 구조물이 형성되는 원리를 이용한다. 이 과정에서 잉크의 용매가 빠르게 증발하고, 내부의 반데르발스 힘이 작용해 나노 물질들이 결합한다.

이 기술을 활용해 1.3㎛(마이크로미터) 수준의 해상도로 인쇄할 수 있는 정밀한 공정이 구현됐다. 머리카락 굵기의 1/100 수준으로, 기존 기술보다 270배 높은 정밀도를 확보했다.


고해상도 3D 프린팅 기술의 활용 가능성
연구팀은 이 기술이 배터리 소재, 전자기 차폐, 센서 제조 등 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 미세 구조 형성이 가능해 이온 이동 경로를 최적화하는 데 유리하며, 전자파 차단 성능 개선에도 기여할 수 있다.

또한, 3D 프린팅을 통해 제작된 미세 구조물은 전기·전자 소자의 집적도를 높이는 데 도움을 줄 수 있으며, 감도가 중요한 센서 분야에서도 활용 가능성이 있다.

세계적 학술지 ‘Small’ 표지 논문 선정
설승권 박사는 “맥신 잉크의 농도와 인쇄 공정을 최적화하는 데 집중했다”며, “첨가제 없이 맥신의 성질을 유지하면서 정밀한 미세 구조물을 제작할 수 있는 기술을 확보한 것이 주요 성과”라고 밝혔다.

이번 연구는 재료과학 분야 국제 학술지 ‘스몰(Small)’ 표지 논문으로 선정됐으며, KERI는 연구 성과를 산업화하기 위한 협력을 추진 중이다.

KERI는 최근 폼팩터-프리(Form-Factor Free) 초소형·유연 전자 장치 수요가 증가함에 따라, 나노잉크 기반 3D 프린팅 기술을 고도화할 방침이다.

이 연구는 KERI 기본사업 및 과학기술정보통신부 ‘인간-로봇 실시간 상호작용 가능 휴머노이드 골격 맞춤형 3D 인쇄회로기판 소재 및 공정 기술 개발’ 과제로 수행됐다.

KERI는 정부출연연구기관이며, 설승권 박사는 과학기술연합대학원대학교(UST) KERI 캠퍼스 교수로도 활동하고 있다.