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지금까지 전자 소자의 3D 프린팅은 배터리, 변형 센서, 집적화 전극 캐패시터와 표면 상 혹은 생물학적 장기 내 연결 및 안테나 등 수동 금속 구조들의 프린팅에 국한되어왔다.

3D 프린팅으로 다양한 영역의 기능들을 가진 직접적이고 균일하게 물질들을 포함하는 기능은 물질 특성의 완벽한 스펙트럼들을 포함하는 구조적, 생물학적, 전자적 물질을 동시에 종합적이고 직접적으로 프린팅을 할 수 있게 하여 특히 매력적이다.

일반적인 마이크로제조 기술들에 내재한 평면성을 초월하는 특이한 구조들에서 능동 전자소자의 자유형태 세대가 늘어나는 과학적인 흥미의 영역에 있었다. 그러나, 전자소자의 매끄러운 뒤섞임을 유지하는 것은 일반적인 마이크로 제조 공정 기술의 고유 물질 비호환성과 지형 제한으로 인해 문제가 되고 있다.

기본적인 수준에서, 3D 프린팅은 반도체 콜로이드 나노물질, 탄성중합체 매트릭스, 유기 폴리머, 액체 및 고체 금속들 등 이질적인 점성과 기능들을 가진 넓은 영역의 물질 종류들에 의해 공간적으로 이종 다물질 구조들을 전체적으로 개발할 수 있어야 한다.

오늘날 3D 프린팅의 빅 푸쉬(big push)는 일단 둘 혹은 그 이상의 폴리머들을 인쇄하려고 시도하는 것이라고 프린스턴 대학 기계 및 우주항공 공학과 조교수인 마이클 맥알파인 박사가 전했다. 최근의 연구에서 연구원들은 모든 성분들이 3D 인쇄된 최초의 3D 인쇄된 LED를 만들기 위해 양자점, 폴리머, 금속 나노입자들의 서로 연결된 구조를 인쇄할 수 있다는 것을 보였다.

이 실증은 능동 전자소자의 삼차원 자유형 제조를 가능케 하는 3D 프린팅의 다용성을 이용하여 능동 나노전자 소자들을 결합하는 개념 증명이다.

연구팀은 "3D Printed Quantum Dot Light-Emitting Diodes"라는 제목으로 나노 레터스에 그들의 발견들을 게재했다. 이 접근법을 이용하여, 연구원들은 다수의 색깔 3D 적층 LED를 만들기 위해 전기 와이어링이 수평과 수직으로 연결되는 2x2x2 LED 배열 등 특이한 구조들을 만들 수 있다고 이 논문의 주저자이며 이 프로젝트를 이끈 맥알파인 교수의 연구그룹 대학원생인 용 린 공이 설명했다. 또한 연구원들은 콘택트 렌즈를 자세히 주사하기 위해 3D 스캐닝을 이용하고 그 렌즈의 특별한 위상 기하학을 저장하고 이후 콘택트 렌즈 상 등각을 3D LED를 인쇄할 수 있게 그 위상 기하학을 조절하기 위해 3D 프린팅을 조절했다.

이 연구는 3D 프린터만 이용하여 기능적이고 임베디드한 능동 3D 나노전자소자의 직접적인 프린팅을 할 수 있는 흥미로운 돌파구를 보여주고 있다. 사실, 이는 반도체 나노입자들이 3D 인쇄된 첫 번째 예이며 3D 프린터를 이용하여 이런 다양한 기능 물질들의 폭넓은 배열이 전체적으로 완벽히 서로 엮여진 첫 번째 소자이다.

연구팀의 접근방법은 세 가지 단계들로 구성된다. 첫째, 요구된 기능들을 포함하고 인쇄가능 형태로 존재하는 전극, 반도체, 폴리머들이 구분된다. 다음, 층간 프린팅 공정 동안 하부 층들의 연결을 걱정하지 않도록 이 물질들이 직각 용매들 내 용해되게 했다. 마지막으로, 이 물질들의 서로 엮인 패터닝은 CAD-디자인된 구조 내에서 직접적인 디스펜싱으로 얻어졌다.

이 접근법의 개념 증명으로, 연구원들은 구분되는 물질 특성을 가진 다섯 가지 종류의 물질들의 디자인, 연결과 프린팅을 포함하는 양자점 발광 다이오드 (QLED)의 3D 프린팅을 실현했다.

특히, 연구원들은 1) 방출 반도체 무기 나노입자들; 2) 탄성중합체 매트릭스; 3) 전하 전도층으로 유기 폴리머들; 4) 고체와 액체 금속 리드들; 5) UV 접촉 투명 기판층의 균일한 서로 엮음을 시도했다. 인쇄된 QLED는 훌륭한 성능 특성을 보였다. 3D 스캐닝과 3D 프린팅의 결합은 비평면 물체의 정확한 위상 기하학 상으로 능동 기능 전자소자의 직접적인 프린팅을 할 수 있게 했다.

이 접근법은 임베디드 QLED의 3D 배열 등 복잡하고 서로 엮인 구조 내 다차원 나노전자소자의 자유형태 제조를 할 수 있게 해 준다.

맥알파인 교수 연구팀에 의해 인쇄된 QLED는 조절가능하고 순수한 색깔 방출 등 양자점의 특유한 특성을 얻었다. 또한, 이 접근법으로 상호보완적인 3D 광 주사 기술을 결합하는 것은 곡선으로 이루어진 표면들로 지형적으로 개선된 전자소자의 제조를 가능하게 해 준다.

연구원들은 이 일반적인 전략이 MEMS 소자, 트랜지스터, 태양전지, 광다이오드 등 다른 종류의 능동 소자들을 3D 인쇄하도록 확장될 수 있길 기대하고 있다. 그들의 결과들은 신경 회로를 위한 광유전자학에 대한 새로운 도구를 제공하기 위한 LED와 다중모드 센서들을 결합하는 지형적으로 조절된 소자들의 세대 등 수많은 흥미로운 응용들을 제안하고 있다.

또한 생물학적 조립을 이용한 능동 전자소자의 공동 프린팅은 신경 세포들을 광학적으로 자극하는 인공 기관 삽입물 등 새로운 바이오닉 소자들을 이끌 수 있다.

연구팀에 따르면, 미래 연구는 수 많은 도전들을 해결할 것이다. 이는 1) 더 작은 소자들이 인쇄될 수 있도록 3D 프린터의 분해능을 증가시키고; 2) 인쇄된 소자들의 성능과 생산성을 향상시키며; 3) 반도체, 플라즈모닉, 강유전체 등 다른 종류의 나노크기 기능 구성 요소와 소자들을 포함하는 것이다.

그림 1: 3D 주사된 곡선으로 이루어진 기판 상에 3D 인쇄된 양자점 발광 다이오드 (QLED). 이 CAD 모델은 곡선으로 이루어진 기판 상으로 QD-LED 소자와 등각 연결을 보여준다.

그림 2: 임베디드 QD-LED의 3D 인쇄된 2x2x2 다차원 배열. (A) 다양한 색깔 3D QD-LED 배열 디자인의 레이아웃.

키워드 : 양자점,발광다이오드,삼차원 프린팅

출처: KISTI 미리안 글로벌동향브리핑

원문: http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=37985.php





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