인쇄 전자: 얇고 평평하며 유연한 미래: 인쇄 전자 제품
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저는 인쇄 전자 산업에 종사한 39년 동안 SonoCine 초음파 유방 영상 장치와 인쇄 웨어러블 치료제와 같이 삶을 변화시키는 혁신을 목격하고 영향을 미치며 일익을 담당할 수 있는 특권을 누렸습니다. 하지만 이러한 혁신이 과거에는 훌륭했지만, 오늘날의 전도성 투명 박막은 무한한 설계 및 엔지니어링 가능성을 실현하고 있는 오늘날의 전도성 투명 박막에 비할 바는 아닙니다. 저의 현재 경험을 바탕으로 한 다음 사례를 읽고 나면 우리 업계의 미래가 정말 흥미진진하다는 데 동의하실 것입니다!
투명하고 유연한 안테나
오늘날의 5G 주파수는 건물을 잘 투과하지 못하기 때문에 5G 속도를 촉진하기 위해 더 많은 안테나의 필요성이 기하급수적으로 증가하고 있습니다. 문제는 소비자들이 안테나와 같은 보기 흉한 기능이 제품에 부착되거나 주변 환경 어디에서나 눈에 띄는 것을 원하지 않는다는 것입니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 새로운 종류의 안테나가 등장하고 있습니다. 유연한 전도성 하이브리드 필름으로 제작된 투명 안테나는 선도적인 저손실 세라믹 기반 PCB 라미네이트와 동등한 성능을 제공하며 기존의 투명하지 않은 인쇄 안테나와 마찬가지로 작동합니다. 자동차, 셀룰러, NFC, Wi-Fi/블루투스, LPWAN, GNSS/위성 등 다양한 용도로 활용할 수 있습니다.
사업 개발 담당 이사인 리차드 모리스와 CHASM Advanced Materials 팀은 고성능 투명 안테나가 자동차, 엔터프라이즈 IoT, 스마트 시티 등 다양한 분야의 연결 문제를 극복할 수 있는 잠재력을 가지고 있다고 믿습니다. 이러한 안테나는 유리나 창문에 쉽게 통합할 수 있어 타의 추종을 불허하는 수준의 자유도를 제공합니다. 필 앤 스틱 옵션으로 사용자는 구멍을 뚫거나 자산을 손상시킬 위험 없이 연결 설정을 업그레이드할 수 있습니다. 또한 이 기술은 OCA 라미네이션 및 필름 인서트 성형 공정과 같은 다양한 방법을 사용하여 통합할 수 있습니다.
투명 히터
우리 업계는 오랫동안 히터용 전자 신호를 전달하기 위해 IME를 활용해 왔습니다. 예를 들어, 듀라텍에서는 폴리카보네이트 제설기 헤드라이트의 제빙을 위한 저항성 발열체를 제조하고 있습니다. 전도성 은색 잉크로 인쇄된 기능성 박막을 사출 성형 도구에 삽입하여 성형된 렌즈의 수지와 접착되도록 하는 방식으로 이루어집니다. 그 결과 저발열 LED로 조명을 비추는 제설기 헤드라이트는 눈과 얼음이 끼지 않습니다.
Chasm과 같은 회사는 이러한 기술을 더욱 발전시키고 있습니다. 예를 들어 첨단 주행 보조 시스템(ADAS)의 광학 카메라, LiDAR 및 레이더 센서는 안개, 비, 눈, 추운 환경에서는 제대로 작동하지 않습니다. 하지만 마이크로와이어나 인듐-주석-산화물 필름과 같은 솔루션은 에너지 손실이나 왜곡, 열 구배 문제가 발생하거나 쉽게 균열이 생길 수 있습니다. CHASM의 AgeNT 히터는 카메라, 라이더 및 레이더 센서와 호환되어 카메라 렌즈, 라이돔 또는 라이돔 표면 전체에 빠르고 균일한 가열을 제공합니다. 또한 이 히터는 투명도가 높아 전선이 보이지 않으며 온도, 습도 및 자외선 노화 테스트에서도 매우 안정적입니다. 또한 표준 자동차 전압(12V)과 호환되므로 기존 차량 시스템에 쉽게 통합할 수 있습니다. 이에 비해 다른 신흥 기술은 12V에서 충분한 전력 밀도를 제공하는 데 어려움을 겪고 있습니다. AgeNT 히터는 저렴한 비용으로 대량 생산할 수 있어 자동차 제조업체와 공급업체에게 매력적인 솔루션입니다.
투명 히터 기술의 다음 단계는 도로 관리 시스템으로 확장됩니다. 현재 개발 중인 예로는 요금 징수 시스템의 유리 어안 렌즈의 복합 곡선에 삽입된 인쇄된 구형 히터가 있습니다. 이 렌즈에 내장된 센서는 모든 기상 조건에서 작동하여 오토바이부터 세미 트레일러까지 차량 크기를 식별하고 각 차량에 적용되는 통행료를 결정할 수 있어야 합니다. 또 다른 예로는 지자체와 제설 회사가 도로 상황을 측정할 수 있도록 고정된 도로 교차로에 설치된 태양열 카메라용 히터를 들 수 있습니다. 제설, 결빙 및 안개 방지 카메라가 제공하는 정확한 정보를 바탕으로 적절한 염수 용액을 혼합하는 방법과 도로를 안전하게 주행할 수 있도록 염수 용액을 어디에 뿌릴지 결정할 수 있습니다.
캐비테이션 잉크
대부분의 사람들에게 캐비테이션은 가장 단단한 금속이나 세라믹을 뚫을 수 있는 강력하고 파괴적인 액체 마이크로제트와 충격파를 의미합니다. 이는 진공 기포의 외부에 압력이 더 클 때 붕괴되는 진공 기포를 형성하는 상당한 압력 변화로 인해 발생합니다. 한 가지 예로 프로펠러가 물속에서 회전하면서 압력 강하가 발생하여 진공 기포가 형성되어 궁극적으로 금속 프로펠러가 붕괴되고 구덩이에 빠지는 경우를 들 수 있습니다. 그러나 오늘날 캐비테이션은 완전히 다른 방식으로 활용되어 업계를 뒤흔들고 있습니다.
ACI Materials라는 회사는 나노 입자 분산도가 0.1미크론 이하인 기능성 잉크를 생산하는 제어된 캐비테이션 공정을 개발했습니다. 이 공정은 기본적으로 재료 내에서 진공 기포를 제어하여 형성한 다음 진공 기포를 파쇄하여 에너지를 방출하는 과정을 포함합니다. 이 에너지는 액체 마이크로제트와 충격파의 형태로 방출되어 제품 혼합물을 궁극적으로 분산시키고 1차 입자 크기(큰 응집체 제거)에 가깝게 만듭니다. 캐비테이션은 가단성 입자의 형태를 변경하지 않지만 흑연 및 나노클레이와 같은 층상 구조는 각질을 제거하여 고종횡비 입자를 형성합니다. 캐비테이션 공정은 전도성과 기계적 성능이 뛰어난 잉크를 생성하여 이전에는 상상할 수 없었던 스퀴지 및 플러드 바를 사용하여 프린터로 인쇄할 수 있게 해줍니다. 예를 들어, 이전에는 잉크의 한계로 인해 접근이 불가능했던 전력 관리와 같은 시장에 프린터가 진출할 수 있게 되었습니다.
ACI 머티리얼즈 팀은 세계 유일의 캐비테이션 기능성 잉크를 개발하여 현재 생산하고 있습니다. ACI의 특수 제조 잉크는 은 기반 적층 제조 인쇄 회로의 납땜을 가능하게 하여 FHE 애플리케이션에서 높은 처리량과 저렴한 비용으로 부품을 부착할 수 있도록 합니다. 이 공정을 매우 저렴한 PET와 같은 기판과 결합하면 프린터는 비용 대비 나노 소재를 사용하여 적층 제조 회로를 만들 수 있으며, 이는 프린터와 환경에 큰 이점이 됩니다.
ACI의 캐비테이션 프로세스
기존의 혼합 방식과 달리 ACI의 특허 받은 캐비테이션 공정은 소재 성능을 획기적으로 개선하여 신축성/웨어러블 기술 및 플렉시블 하이브리드 전자제품에 새로운 응용 분야를 가능하게 합니다.
캐비테이션은 또한 탄소 나노 소재의 초미세 분산을 가능하게 합니다. 이는 예를 들어 신축성 고정 저항 히터를 제조할 때 중요합니다. 목표 저항을 가진 트레이스를 일관되게 인쇄하려면 탄소를 포함한 기능성 필러가 완전히 분산되어야 합니다. 완전히 분산되지 않으면 스크린 인쇄의 전단력으로 인해 인쇄 실행 중에 카본 필러가 계속 분산될 수 있습니다. 이로 인해 인쇄가 진행되는 동안 각 인쇄물의 저항이 달라질 수 있습니다. 카본 필러의 완전한 분산을 달성하는 것은 매우 어렵습니다. 캐비테이션을 통해 카본이 스크린에 닿기 전에 완전히 분산되므로 수천 개의 히터로 인쇄하는 경우에도 고정 저항 히터에서 일관되게 균일한 출력 온도를 얻을 수 있습니다.
궁극적으로 캐비테이션 잉크는 개인의 탄소 발자국에 엄청난 변화를 가져올 수 있습니다. 예를 들어 캐비테이션 잉크는 신축성 있는 소재에 사용할 수 있어 인체에 꼭 맞고 세탁과 건조를 견딜 수 있는 웨어러블 히터를 제작할 수 있습니다. 그렇다면 목을 감싸는 부분의 길이가 18인치에 불과한 인쇄 히터로 4피트 길이의 스카프를 만들 수 있다면 집안의 난방을 얼마나 높일 수 있을까요? 별로요. 얇고 평평하며 유연하고 편리하며 여러 가지 면에서 전력 효율이 매우 높습니다.
위의 SEM 현미경 사진은 나노튜브 벽을 파괴하지 않고 탄소 나노튜브를 풀고 분산시키는 캐비테이션의 능력을 보여줍니다. 캐비테이션 잉크는 몸에 꼭 맞는 셔츠 형태의 심박수 및 혈압 모니터, 두개골 모자 형태의 뇌 센서, 물리 치료를 위한 인쇄된 웨어러블 히터 등 웨어러블 의료 기술에도 활용될 수 있습니다.
마지막으로 캐비테이션은 그 자체로 친환경적인 제조 공정입니다. 밀폐된 스테인리스 스틸 환경에서 진행되기 때문에 VOC가 방출되지 않습니다(수율도 거의 100%에 달합니다).
점점 더 많은 OEM이 디자이너에게 우리가 폐기물 흐름에 기여하지 않는다는 것을 증명할 것을 요구하고 있습니다. 고객이 이사회에 가져갈 수 있는 환경적으로 지속 가능한 두세 가지 옵션을 제시하지 못하면 사업을 잃게 될 것입니다. 의료 제조가 대표적인 예이며, 여기서도 캐비테이션이 판도를 바꿀 수 있습니다.
매일 수백만 개가 사용되는 혈당 모니터링 시스템을 예로 들어 보겠습니다. 캐비테이션을 사용하면 동일한 신호 강도를 얻기 위해 장당 은을 10분의 1그램만 사용하여 이러한 모니터를 인쇄할 수 있습니다. 모니터를 폐기할 때 매립지에 버려지는 은이 줄어들 뿐만 아니라 모니터 자체의 비용도 절감할 수 있습니다. 1년에 3억 개의 혈당 모니터를 인쇄한다고 가정할 때, 이는 상당한 비용 절감과 함께 매립지로 가는 은의 양이 훨씬 줄어든다는 것을 의미합니다. 이것이 바로 현재 우리가 나아가고 있는 방향이며 내일은 반드시 그래야만 하는 방향입니다.
광생체조절
웨어러블 광생체조절(PBM) 치료는 인쇄 기능성 전자공학의 또 다른 새로운 영역입니다. 이전에는 저수준 레이저 치료로 알려진 PBM은 저수준 레이저 또는 LED를 사람의 신체 표면에 적용하여 통증을 완화하고 치유 과정을 가속화하는 치료법입니다. 통증과 염증에 대한 오피오이드와 같은 기존 치료법에 대한 입증된 대안입니다. 새로운 응용 분야는 조직 치유와 통증 감소를 넘어 여드름 치료와 주름 감소를 위한 미용 응용 분야까지 다양한 이점을 약속합니다.
PBM 웨어러블 패치는 다양한 질환에 편리하고 효과적인 치료법을 제공할 뿐만 아니라 비침습적이기 때문에 다른 치료법보다 환자에게 더 안전합니다. 또한 많은 여드름 치료제처럼 피부에 자극을 줄 수 있는 독한 화학 물질을 사용하지 않으며, 병이나 뚜껑, 상자가 없어 폐기물로 바로 버려지는 포장재도 거의 없습니다.
케어웨어의 라이트 테라피 시스템은 통증 관리, 연조직 손상, 주름 및 여드름 치료를 위한 무선, 웨어러블, 일반의약품으로 FDA 승인을 받은 CE MDD 클래스 IIa 의료 기기입니다. 이 시스템은 디지털 의료 인프라와 결합되어 임상의가 치료 매개변수와 결과 지표를 선택하고, 사용률을 모니터링하고, 클라우드를 통해 실시간으로 보고할 수 있습니다.
시사점
이 기사에서 살펴본 사례는 기능성 인쇄 전자 제품이 우리의 생활 수준을 향상시킬 흥미로운 신제품 개발뿐만 아니라 폐기물 및 스크랩을 없애고 자원 효율적인 재료 선택을 가능하게 함으로써 환경 지속 가능성과 관련된 적층 제조의 미래에서 중심적인 역할을 할 것임을 보여줍니다.
이러한 모멘텀을 계속 유지하려면 우리 업계가 모든 수준과 모든 기회에서 과학, 기술, 공학, 수학(STEM) 교육을 적극적으로 장려하는 것이 필수적입니다. 인쇄전자 업계만이 숙련된 인력을 찾는 것이 아니며, 기술이 점점 더 많은 고용 분야에 스며들면서 경쟁은 계속 치열해지고 있습니다. 실제로 국제통화기금(IMF)은 2030년까지 전 세계적으로 8,500만 명 이상의 기술 인력이 부족할 것이며, 이는 연간 8조 5,000억 달러의 매출 손실에 해당한다고 보고했습니다.
하지만 저희는 도전할 준비가 되어 있습니다. 우리 업계의 미래는 매우 흥미진진하기 때문에 우리의 열정을 쉽게 공유할 수 있습니다: 우리 중 많은 사람들이 개인적으로 STEM을 장려하는 지역 프로그램에 참여하고 있습니다. 앞으로도 계속 이어나가면 어디로 이어질지 누가 알겠습니까?
Michael은 디지털 및 스크린 인쇄 업계에서 리더십 및 비즈니스 개발과 함께 엔지니어링 경력을 쌓았습니다. 해밀턴 로보틱스, GE 메디컬, 메드트로닉 뉴로로지컬, 졸 메디컬 코퍼레이션에서 새로운 제조 기술을 도입하는 프로젝트에 참여했습니다. 네바다주 리노에 위치한 최첨단 R&D 조직인 Primary Image, Inc.의 설립자이자 리더로서 그와 그의 팀은 게임, 군사, 정부 및 의료 기술 분야의 기업을 위한 여러 혁신적인 솔루션을 성공적으로 출시했습니다.
마이클 르페브르, 듀라텍 인더스트리 | michael.lefebvre@duratech.com
