[세종=뉴스핌] 이경태 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 기계공학과 김지태 교수 연구팀이 고려대학교, 홍콩대학교와 공동으로 상온에서 10 마이크로미터(µm) 이하 초소형 적외선 센서를 제작할 수 있는 3차원(3D) 프린팅 기술을 세계 최초로 개발했다고 3일 밝혔다.
적외선 센서는 자율주행차 라이다(LiDAR), 스마트폰 3D 안면 인식, 헬스케어 웨어러블 기기 등에서 핵심 부품 역할을 담당한다. 눈에 보이지 않는 적외선 신호를 전기 신호로 변환하는 장치로, 로봇비전 등 미래형 전자기술 구현에 필수적이다.
그러나 기존 반도체 공정 기반 제조 방식은 대량생산에는 적합했지만, 빠르게 변화하는 기술 수요에 유연하게 대응하기 어려웠다. 또한 고온 공정이 필수여서 소재 선택이 제한되고 에너지 소비가 많다는 한계가 있었다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 금속·반도체·절연체 소재를 각각 나노결정 형태의 액상 잉크로 제조해 단일 프린팅 플랫폼에서 층층이 쌓아 올리는 초정밀 3차원 프린팅 공정을 개발했다. 특히 나노입자 표면의 절연성 분자를 전기가 잘 통하는 분자로 바꾸는 '리간드 교환(Ligand Exchange)' 기법을 3D 프린팅 과정에 적용했다.
이를 통해 고온 열처리 없이도 우수한 전기적 성능을 확보해 사람 머리카락 굵기의 1/10 수준인 10µm 이하의 초소형 적외선 센서 제작에 성공했다. 맞춤형 형태와 크기의 센서 구현도 가능해졌다.
김지태 교수는 "이번에 개발된 3차원 프린팅 기술은 적외선 센서의 소형화·경량화를 넘어, 기존에 상상하기 어려웠던 혁신적인 폼팩터 제품 개발을 앞당길 것"이라며 "고온 공정에서 발생하는 막대한 에너지 소비를 줄여 생산 단가 절감과 친환경적 제조 공정을 실현할 것으로 기대한다"고 말했다.
이번 연구 결과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 10월 16일 자 온라인판에 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부의 우수신진연구, 국가전략기술 소재개발사업, 원천기술국제협력개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
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