3D Printed Electronics(3DPE) 분야 국내·외 기술동향

- 기존 인쇄전자 기술에서는 2차원 패턴의 인쇄만이 가능하여 구현 가능한 전기·전자소자의 형상에 한계가 있었으나, 3DPE 기술의 경우 평평하지 않은 3차원 기판에 복합다층 회로 패턴을 구현할 수 있어 다양한 형상의 전기·전자소자 제작 가능

- 또한, 전자회로 제조와 패키징 공정을 일체화, 소형화, 집적화할 수 있는 기술로서 궁극적으로는 인쇄 기술만으로 패키징까지 포함한 전자기기 완제품 제조를 목표

★ 3DPE 기술은 가전, 전자기기, 자동차, 로봇 등 미래 新산업 제품 제조를 위한 新개념 기술이고, 기존 단일 부품에서 융합 부품으로 시장 수요가 증가하고 있으므로 향후 첨단 전자소자 산업으로 성장 가능

- 자동차 전장 부품(인체공학적 핸들·도어트림, 스타일링 헤드·리어 램프, 스마트 안전시트, 곡면히터, 일체형 부품), 항공·우주제품(초경량 드론, 플라잉 택시) 등

- 모바일·웨어러블 전자기기, 에너지 저장(플렉서블 배터리), 바이오 헬스(당뇨 측정 센서), AI 가전(IoT 스마트 부엌, AI 가전) 등

3DPE 관련 산업 및 시장 동향

★ 3DPE 산업은 소자·소재·시스템 등의 요소별로 개발이 진행 중으로, 기계 및 로봇·센서·스마트기기 등의 분야의 일부 요소에서 부분적인 활용만 진행 중

- 미국을 비롯한 주요 선진국은 외부 패키징 및 케이블 간소화를 통해 전자부품의 소형화 연구 진행 중이며, R&D 투자가 점차 증대될 것으로 전망

- 3DPE 산업은 아직 연구개발 초기 단계이나, 향후 5년 이내에 휴머노이드 로봇, 개인 맞춤형 의료기기, 웨어러블 전자기기, 초경량 스마트 부품 등 다양한 분야와의 융합을 통해 산업적 성장 기대

★ 3DPE 기술을 이용한 글로벌 시장은 ’18년 2,450억 원 규모에서 ’27년 1조 7천억 원으로 증가할 것으로 전망

- ’27년 기준 Antenna 약 6,700억 원, Sensors 약 3,700억 원, Printed Display 약 2,000억 원, PCB 약 3,100억 원, 기타 제품 약 1,500억 원의 시장을 형성할 것으로 예상

- 3DPE 기술을 이용하여 스마트 전자기기(PCB, 센서, 로봇 등)를 제조하는 3D 인쇄전자 세계시장은 2025년까지 적어도 10억 불 이상의 규모로 성장할 것으로 기대

- 차세대 기술인 flexible, stretchable 및 structural electronics 분야의 경우는 2025년까지 1,000억 불의 시장을 형성할 수 있는 잠재력을 가지고 있는 것으로 평가

2. 3DPE 분야 국내외 기술동향

해외 기술동향

★ (3DPE 적용 제품) 토요타社(日)에서는 카시트에 3D 인쇄전자기술을 이용하여 의자 일체형 발열체를 제작할 수 있는 기술 보유

- 텍사스 주립대(美)에서는 3D 프린팅 공정을 이용해 구조물과 전자회로의 통합 제조하기 위해 임의의 복잡한 형상을 가진 구조물 내외부에 전자회로를 구성하는 기술을 선보였으며, 향후 인간의 해부학적 구조에 맞춘 웨어러블 장치에 적용하고자 하는 연구를 진행 중

★ (3DPE 소재) AgIC社(日)는 잉크젯 프린터로 전극 및 전자회로를 제작할 수 있는 전도성 은(Ag) 나노입자 잉크 카트리지를 개발하였으나, 잉크젯 프린터를 이용하여 2차원 인쇄만 가능하고 인쇄 패턴의 해상도가 낮다는 단점을 가짐

- Voltera社(美)는 은(Ag) 나노 잉크와 부품 실장을 위한 solder paste를 3D 프린팅할 수 있는 형태로 소재 개발

- Scrona社(스위스)에서는 전기수력학(Electrohydrodynamic) 분사 프린팅기술을 이용하여 금 나노입자가 분산된 잉크를 수백 nm 단위로 출력하여 전도성 2D 및 3D 금 패턴을 제작하는데 성공하여, 초정밀 금속 전기·전자회로를 제작할 수 있는 가능성을 제시하였으나 느린 제작 속도, 한정된 소재 및 전극의 필요성이 단점임

★ (3DPE 장비) Optomec社(美)는 미세한 은(Ag) 나노입자들을 가스를 통해 국부적으로 조사하는 에어로졸 젯 (aeroseol jet) 기술을 이용하여 전극 및 전자회로를 인쇄할 수 있는 프린터를 개발하였으며, 다른 방식 대비 비교적 높은 해상도(~10μm)를 가지나 3차원 구조물을 제작하는 것에는 어려움이 있으며 기술적인 특징으로 인해 프린터가 고가임 (약 325,000달러)

- Cartesian社(美)는 전도성 은(Ag) 전극 패턴을 제작할 수 있는 잉크젯 기반의 프린터를 제조 중이며, 기판 이외의 종이에도 프린팅을 할 수 있는 장점이 있으나, 잉크가 다양하지 않고 인쇄 패턴의 해상도(1.2mm) 및 전도도가 낮다는 단점을 가짐

- Botfactory社(美)는 PCB 부품 실장을 자동화 한 하이브리드 CNC 장비를 상용화하였으나, 제작 가능한 패턴의 해상도가 낮고 3차원 패턴의 제작이 불가능한 단점이 있음

- Voxel8社(美)는 2016년 CES에서 세계 최초로 제니퍼 루이스 교수(하버드大)와 함께 개발한 전자부품의 완전 출력이 가능한 3D 프린터를 선보였으며, 전자회로기판(PCB) 제작 시 기판은 플라스틱 소재로, 전극 및 회로는 전도성 은(Ag) 페이스트 소재로 각각 출력이 가능함

* 단, 제작 가능한 패턴의 해상도가 800μm로 낮고, 사용 가능 소재 및 프린팅 기술 등의 많은 개선이 필요하며, 저항소자 및 축전소자 등 핵심 부품 출력이 아직 미흡하여 추가적인 개발이 필요함

- Nanodimension社(이스라엘)는 3D 프린팅 기술을 이용하여 PCB를 제조할 수 있는 3D 프린터를 출시하였으나, 사용 가능 소재가 은으로 제한되는 한계가 있음

국내 기술동향

★ 국내에서는 연구기관을 중심으로 기존의 3D 프린팅 기술을 넘어서 복합소재용 3DPE 기능성 소재 및 소자 제작 기술을 보유하고 있으나 아직 국외 기술에 비해서 기술수준이 열위

- 3DPE 관련 기능성 소재·장비에 대한 연구개발은 대학, 연구소 중심으로 진행 중

* 서울대, KAIST, 한밭대, 연세대, 부산대, 경북대, UNIST, 성균관대, 중앙대, 한양대, 고려대 등

* KIST, ETRI, KIMS, KERI, KRICT, KITECH, GERI 등

★ 한밭대학교·현대자동차社는 저항, 도전성, 절연성 잉크를 이용한 3D/2D 프린팅 공정기술 개발을 통해 3차원 형상에 내장형 발열체 및 디지털 LED 사이니지 제작 기술 보유

★ GERI를 비롯한 국내 연구소는 3D 프린팅 핵심 소재 및 공정 기술 보유

- 구미전자정보기술원(GERI) : 전사 프린팅 및 용액공정 기반 투명전극/히터 제작 기술 보유

- 한국전기연구원(KERI): 기능성 나노잉크 및 고정밀 3D 프린팅 기술 보유(은(Ag), 탄소나노튜브(CNT) 3차원 미세구조물 제작 가능한 3D나노 전자잉크 기술 개발)

- 한국전자통신연구원(ETRI) : ICT 소자 부품용 이종복합 3D 프린팅 핵심 소재(전도체, 유전체) 및 공정 기술 보유

- 한국화학연구원(KRICT) : 인쇄 가능한 스트레인 센서용 소재 및 3차원 인쇄 가능한 유연전극용 복합소재 기술 보유

- 한국생산기술연구원(KITECH) : 3차원 절연재, 전도소재 복층 및 3차원 전극 인쇄 기술 보유

표준화 및 특허 동향

★ (표준화) ISO TC261(Additive Manufacturing), IEC TC119(인쇄전자) 인쇄전자 및 유연 하이브리드 전자 관련 소재, 장비, 신뢰성 국제 표준화 진행 중

★ (특허) 3DPE 관련 유효특허의 급격한 출원 증가가 나타났고, 일부 연구기관/기업에 집중되면서 연구 성장기로 파악

- 국가별 연도별 출원건수 검색 결과 : 전체 1,377건 검색 - 미국이 총 441건(32%)으로 1위에 순위 되어 있으며, 중국 420건(31%), PCT 211건(15%) 순으로 출원하였고, 한국은 72건으로 전체의 5%를 점유

- 연도별 특허출원 동향을 살펴보면, 2014년 이후 출원이 급증하여, 인쇄전자 기술 특허는 현재 특허출원건수와 특허 출원인수 모두 증가하는 ‘성장기’로 판단

- 3D 프린팅 전자소재 및 전자소자의 원천기술 특허확보가 가능

3. 정책적 시사점 및 제안

주요 시사점

★ 3DPE 기술은 기존의 3D 프린팅 기술과 인쇄전자 기술이 융합되어 미래형 제조공정인 SE(스트럭쳐 일렉트로닉스, Structural Electronics)를 구현할 수 있는 기술

* 스트럭쳐 일렉트로닉스(Structural Electronics(SE)) :불규칙한 모양의 기판과 3차원 구조물에 기능성 전기전자 회로를 인쇄하여 구조체와 회로가 통합되어 구현된 일체형 제품

- 차세대 전자부품 시장 선점 및 선진국 기술 종속 대응등 을 위해 소재, 부품 및 장비산업 간 협력이 시급한 분야

- 현재 3DPE 기술개발은 소재, 부품, 장비 등 요소별 기술 개발이 개별적으로 진행되고 있어, 융합 연구 및 제조 시스템 구축 필요

★ 디지털 기술의 확산 요구가 증가하고 있는 제조 현장에서 3DPE 기술을 적용한 융합형 전자부품 생산 시 파급효과가 매우 클 것으로 기대

- 미래형 자동차, 개인 맞춤형 의료기기, 웨어러블 전자기기, 초경량 스마트 부품, 휴머노이드 로봇 등 3DPE 적용 분야 확장을 위해 기능성 소재 개발 시급

- 특히, 고전도성 소재, 고효율 센싱 소재 및 에너지 소재 등과 같은 기능성 소재의 개발이 절실히 요구

- 종래의 평면 회로를 탈피하여, 스마트폰 등 전자기기의 각종 전자소자 및 부품의 소형화, 경량화 및 공정 단순화를 목적으로 전자 제품 표면에 직접 구현된 3D 회로 기술이 도입 중이며, 그 적용 범위가 급속하게 증가하고 있는 추세

- 성형 가능한 플렉서블 소재에 회로를 구현하여 원하는 모양으로 성형하는 형상맞춤 부품 및 모듈 제작이 가능할 때 3D 프린팅의 장점을 극대화하고 생산성이 낮은 한계를 극복할 수 있는 Game Changer가 될 수 있을 것으로 기대

정책적 제안

★ (고기능성 소재 개발 필요) 고전도성 소재 및 프린팅 기술, 고민감 변형 및 화학/바이오 센싱용 프린팅 소재, 고효율 에너지 소자를 위한 프린팅 소재 등

★ (3DPE 공정/장비 개발 필요) 고집적 회로 구현을 위한 초미세 나노 프린터, 다중소재 동시 인쇄를 위한 하이브리드 프린팅 기술, 3D 입체/자율 형상 위 칩 실장 공정/장비 기술 등

★ (3DPE 융복합 기술 개발 필요) 자동차 스마트 전장 및 경량화를 위한 3DPE 융합화 기술, 모바일/웨어러블 소자 제조용 3DPE 융합화 기술, 에너지 발생 및 저장기기를 위한 3DPE 융합화 기술 등

출처 : keit pd 이슈리포트

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