초고농도 하이브리드 나노분산 잉크 개발 
인쇄전자소자용 잉크젯 프린팅기술과 초고농도 나노분산 잉크

류병환 한국화학연구원 소자나노재료연구센터 센터장, 책임연구원
김창균 한국화학연구원 소자나노재료연구센터 책임연구원                                     
이영국 한국화학연구원 소자나노재료연구센터 책임연구원  
석상일 한국화학연구원 소자나노재료연구센터 화학연-로잔공대 글로벌연구실 책임연구원   
최영민 한국화학연구원 소자나노재료연구센터 책임연구원
권계시 순천향대학교 기계공학과 전임강사                                                          
최형진 인하대학교 고분자공학과 정교수, 석좌교수

1. 서론
인쇄전자소자는 인쇄(프린팅)기법을 사용하여 제작하는 모든 분야의 소자를 대상으로 한다. 예를 들면, 디스플레이의 칼라필터(C/F)를 비롯하여 플렉시블 디스플레이, RFID, FPCB, 태양전지뿐만 아니라 인쇄기법을 이용하여 제작한 3D 고집적 (세라믹) 전자부품을 그 대상으로 한다. 인쇄전자소자의 주요 연구 분야는 무기/유기 잉크소재뿐만 아니라, 이를 이용한 제조공정 즉 인쇄기법을 이용한 패터닝 공정을 포함한다. 소재의 예로서는 능동소재인 반도체 소재와 수동소재인 인덕터, 캐패시터, 저항, 그리고 배선 등의 모든 회로 소재 및 이들의 잉크소재를 포함하며, 잉크젯 방법은 인쇄전자소자를 제조하기 위한 대표적인 pattern-on-demand의 인쇄공법이다.

2. 본론
본 과제의 최종 목표는 무소성 내장 소자용 초고농도 하이브리드 나노분산 잉크젯 잉크 소재 개발 이다. 이를 위하여 진행하는 연구내용은 잉크젯 정밀 패터닝 기술, 전도성 전극 소재, 무소성 내장 저항용 잉크 소재 및 캐패시터용 고유전 세라믹 하이브리드 소재 등의 원천기술을 개발하는 것이다. 잉크젯 프린팅 기술은 기존의 복잡한 포토리소그라피 공정을 거치지 않고, 저렴하고 신속한 방식으로 원하는 패턴을 만들 수 있다는 장점을 가지고 있다. 인쇄전자소자 분야는 반도체 분야와는 달리 수십 마이크론 크기의 비교적 큰 패턴을 형성하는 경우가 많이 있어 잉크젯 프린팅 기술을 이용한 인쇄 공정을 사용할 가능성이 높다. 잉크젯 프린팅 기술은 그림 1과 같이 미세노즐을 통해 용액이나 현탁액을 수~수십pℓ (pico liter)의 방울로 분사하는 매우 유용한 비접촉식 패터닝 기술이다. 잉크젯 프린팅 기술은 포토리소그라피 방법과 스크린 프린팅 방법에 비교하여 다음과 같은 이점이 있다.
(1) 미세라인 형성을 위한 마스크가 필요 없다.
(2) 인쇄 시간이 짧으며 공정이 간단하다.
(3) 재료의 소모가 적어 폐기물 발생이 거의 없는 친환경 공정이다. 
최종 목표수행을 위한 년차별 목표는 그림 2와 같이, 1차 년도에는 잉크소재를 설계 및 합성하고, 2차 년도에는 이를 이용하여 단위소자를 제작하고, 3차 년도에는 소재간의 이종접합기술 개발 및 내장소자를 제작하고, 최종 년도에는 이들 소재를 이용하여 무소성 내장소자의 초정밀 잉크젯 공정을 확립하는 것이다. 먼저, 초고농도 하이브리드 나노분산 잉크 소재 기술을 정의하면, pattern-on-demand 방식의 잉크젯 프린팅 기술로 3D 초고집적 전자부품을 제조하는데 필요한 유전체, 도전체 및 저항체 잉크 개발 및 잉크젯 패터닝 기술을 말한다. 이를 위하여 고체함량이 높고 분산안정성이 우수한 입자 또는 선구물질의 하이브리드형 잉크를 개발하고, 이를 잉크젯 프린팅 기술에 활용하여 초고밀도 부품을 제조하는 기술이다. 핵심요소기술에는 각종 기능성 나노입자 및 전구체 합성, 나노분산 및 레올로지 제어에 의한 잉크 제조, 잉크 특성 평가 및 잉크젯 조건 최적화, 잉크젯 패터닝 기술 등을 포함한다. 하이브리드 잉크소재 개발 및 패터닝 연구에서 해결할 기술의 이슈 3가지는 소재, 잉크, 잉크젯 공정 측면이고 이를 고려해보면 다음과 같다.
가. 소재합성 분야
저온공정 3D 직접화 연구에서 가장 기초적 소재는 역시 배선소재이고, 그리고 캐패시터, 저항 성분의 다양한 잉크의 소재가 필수이다. 즉 Ag, RuO2, BaTiO3 등에 대하여 입자합성 및 전구체 설계 및 합성 연구가 주요 대상이다. 배선소재는 350℃ 이내에서 높은 전도를 발현함은 물론이고, 이를 위하여 토출 양이 많고 연결성과 밀도가 높아 저항이 낮아야 하므로, 결국 고농도의 잉크가 반드시 해결되어야 한다. 캐패시터의 성분은 고유전, 저손실 소재이어야 하고 이들의 농도와 응집형태가 유전율에 의존하므로 고농도, 적절한 분산응집의 제어가 필요하다. 저항성분은 온도변화에도 저항 값의 변화가 적고 안정해야 하는 소재 특성을 가지고 있다. 본 연구는 이상의 분야에 필요한 내용을 달성하기 위하여  각 성분 입자와 응집 및 분산의 제어에 필요한 고분자 첨가제 제어와 입자의 하이브리드화가 반드시 필요하다. 또한 입자의 소스로서 각 소재의 전구체가 매우 유용하게 사용될 것으로 기대하고 있고, 이를 위하여 저온 열분해성이 좋은 리간드의 설계 및 합성 기술이 필요하다.
나. 잉크제조 및 특성 평가
수십 마이크론 차원의 미세노즐을 통해 토출되는 잉크의 전단속도는 수백S-1~수천 S-1로 매우 높아서 토출시 잉크의 막힘 등이 예상되므로 잉크의 유변 특성 제어가 매우 중요한데 잉크의 농도가 높으면 전체적으로 공정을 단축시킬 수 있는 이점이 있다. 잉크의 레올로지는 입자의 크기와 겉보기 부피 즉 유효체적이 관계하고 입자의 농도가 높아질수록 입자간의 상호작용이 증가하면서 잉크의 점도가 높아지며 레올로지 거동에 영향을 주게 된다. 더욱 잉크의 유변특성은 특히 전단속도가 높을수록 중요한 변수로 작용함을 알 수 있다. 따라서 잉크의 상호작용을 줄이는 설계 룰에 따라 잉크를 제조하는 것이 잉크의 유변학적 특성 제어에 큰 해결책을 제공할 것이다. 결국 고농도의 잉크를 높은 전단속도에서 토출하여도 막히지 않고 원활하게 젯팅하기 위해서는 잉크의 유동성을 개선할 잉크의 분산성 강화가 필수이고, 이를 위해서는 잉크 내 입자의 상호작용을 감소시킬 수 있는 방안이 필요하다.
다. 정밀 패터닝 분야
잉크젯 헤드에서 토출되는 미소 액적잉크의 크기제어 및 재현성 제어는 매우 중요하다. 피에조(piezo)  잉크젯 헤드의 파형제어에 의해 이 부분이 해결되어야 하는 바, 토출 잉크와 저온 소성 무수축 기판과의 젖음성의 제어가 반드시 필요하다. 예를 들어 젖음성 제어에 따른 패턴의 해상도 및 연결성 등은 매우 중요한 제어 인자이고, 형성된 배선과 무수축 기판과의 접착력 등 이종소재 간 계면제어가 매우 중요하다. 결국 이상의 잉크젯 프린팅기술의 한계점을 극복하기 위해서는 잉크의 레올로지 제어 및 기판의 젖음성 제어와 함께 잉크젯 헤드관련 장비의 연구개발이 병행되면, 잉크젯 프린팅 기술의 한계를 극복하는데 필요한 시너지적 효과를 거둘 수 있을 것이다.
라. 위탁연구기관의 연구 목표 및 내용
본 과제를 수행하는 추진체계는 그림 3에 나타내었으며, 소재합성과 잉크제조 및 잉크젯 공정을 한국화학연구원에서 주관을 하고, 잉크제조에 있어 고전단속도에서 유동성 증진을 위한 고분자첨가제 제어와 잉크젯 공정에서 잉크젯 헤드의 파형제어를 위탁연구를 하고 있다.
위탁연구 1. 고분자 첨가제 제어
최종목표는 높은 전단영역에서 유동성 증진을 위한 고분자 첨가제 제어를 위하여 계면활성제를 이용한 무기나노입자 분산성 향상연구, 잉크젯 프린팅 잉크 제조를 위한 고분자 첨가제 결정, 유변학적 물성, 표면장력 등 잉크젯 프린팅용 잉크 제조조건 확립 등에 관한 연구이다.
위탁연구 2. 잉크젯 헤드 파형제어
최종목표는 잉크젯 헤드 파형제어를 통하여 셀프 센싱을 이용한 잉크젯 작동 중 토출 상태 측정 및 잉크 토출을 위한 입력 전압 설계 알고리즘, 셀프 센싱을 이용한 잉크젯 헤드내의 잉크 물성 측정, 잉크 액적 크기 제어, 그리고 효율적인 파형 최적화를 위한 잉크 토출 시스템 개발 및 소프트웨어 개발에 관한 연구이다.

3. 결론
본 연구의 내용은 다학제의 학문적 배경을 필요로 하고 있으며, 수준 높은 연구목표를 달성하는데 그 동안 쌓아온 전문지식과 노하우를 바탕으로 열성을 다하고자 한다. 본 연구과제를 수행하는 한국화학연구원의 소자나노재료연구센터 및 위탁연구기관에서는 그림 4와 같이 인쇄전자소자 분야에서 소재 설계/합성, 잉크화, 패터닝 공정 등 ‘모든 해법(total solution)’을 제공하는 연구집단으로 거듭나고자 한다. 이를 위하여 주관기관인 요업기술원을 비롯하여 참여기관들과 긴밀히 연대하여 대과제를 성실히 수행하고자 한다. 

 1. 류병환, 최영민, ‘차세대 평판디스플레이용 잉크젯 프린팅기술’, J. Kor. Soc. Machinery, vol. 46 (12), 55-59 (2006)
2. 류병환, 최영민, 재료부품특집 : ‘디스플레이산업에서 잉크젯 기술의 응용과 현황 - 입자분산형 잉크를 사용하는 잉크젯 기술’, Information Display, vol.6(3), p17~25 (2005)

<그림설명>

그림 1. 잉크젯 개념도 및  3D 고집적 세라믹 소자 개념도
그림 2. 2세부과제의 년차별 목표
그림 3. 연구 추진체계
그림 4. 미래연구계획

류병환
인하대학교 세라믹공학과 공학사, 석사
나고야공업대학 무기재료공학과 박사
한국화학연구원 소자나노재료연구센터 센터장, 책임연구원

김창균
서울대학교 자연과학대학 학사
한국과학기술원 이학석사
Univ. of Michigan at Ann Arbor 이학박사
한국화학연구원 소자나노재료연구센터, 책임연구원

이영국
서울대학교 공과대학 무기재료공학과 공학사, 석사
서울대학교 공과대학 무기재료공학과 공학박사
한국화학연구원 소자나노재료연구센터, 책임연구원

석상일
경북대학교 화학과 학사
서울대학교 무기재료공학과 박사
코넬대학교 재료공학과 포스닥
영국 서리대학교 화학과 방문연구원
스위스로잔공대 화학공학부 방문연구원
한국화학연구원 소자나노재료연구센터, 화학연-로잔공대 글로벌연구실 책임연구원 

최영민
연세대학교 세라믹공학과 학사, 석사
한국과학기술원 재료공학과 박사
한국화학연구원 소자나노재료연구센터 책임연구원

권계시
연세대학교 기계공학과 공학사
KAIST기계공학과 석사, 박사 학위 취득
LG전자, 삼성종합기술원 근무
삼성종합기술원에서 디스플레이 프린팅 분야 연구 수행
순천향대학교 기계공학과 전임강사

최형진
서울대학교 공업화학과 공학사
미국 Carnegie Mellon 대학교 화학공학과 공학박사
인하대학교 고분자공학과 정교수 및 석좌교수