10㎛짜리 전자눈 센서 3D프린팅으로 "작고 다양하게"

로봇 전자눈의 핵심인 초소형 적외선 센서를 상온에서 제작할 수 있는 3D 프린팅 기술이 개발됐다.

KAIST는 기계공학과 김지태 교수 연구팀이 고려대학교 및 홍콩대학교 연구진과 공동으로 상온에서 머리카락 두께의 10분의 1 수준인 10µm 이하로 초소형 적외선 센서를 제작하는 3D 프린팅 기술을 개발했다고 3일 밝혔다.

참여 연구팀은 고려대학교 오승주 교수, 홍콩대학교 티안슈 자오(Tianshuo ZHAO) 교수가 참여했다.

초소형 적외선 센서를 3D 프린팅 기법으로 개발한 연구진. 왼쪽부터 KAIST 김지태 교수, 고려대 오승주 교수, 홍콩대 티안슈 자오 교수.

적외선 센서는 눈에 보이지 않는 적외선 신호를 전기 신호로 변환하는 핵심 부품이다. 로봇비전 등 다양한 분야 미래형 전자기술을 구현하는 데 꼭 필요하다. 이 때문에 최근 센서 소형화·경량화를 추진하며, 다양한 형태(폼팩터)로 구현하는 연구가 활발하다

그러나 한계도 있다. 기존에는 반도체 공정 기반 제조 방식으로 제작해 대량생산에 유리했지만, 빠르게 변화하는 기술 수요에 유연하게 대응하기에는 어려운 점이 많았다. 우선 고온 공정이 필수인데다 소재 선택이 제한적이다. 또 생산 공정에 전기 에너지 소비가 컸다.

연구팀은 이같은 문제를 해결하기 위해 금속·반도체·절연체 소재를 각각 나노결정 형태의 액상 잉크로 만들어 단일 프린팅 플랫폼에서 층층이 쌓아 올리는 초정밀 3차원 프린팅 공정으로 대응했다.

이 공정을 활용한 결과 초소형 센서 크기를 10µm 이하까지 낮추는데 성공했다. 또 나노입자 표면의 절연성 분자를 전기가 잘 통하는 분자로 바꾸는 ‘리간드 교환(Ligand Exchange)’ 기법을 적용해 고온 열처리 과정없이도 전기적 성능을 확보했다.

김지태 교수는 “이번에 개발된 3차원 프린팅 기술은 적외선 센서의 소형화·경량화를 넘어, 기존에 상상하기 어려웠던 혁신적인 폼팩터 제품 개발을 앞당길 것”이라며 “또한 고온 공정에서 발생하는 막대한 에너지 소비를 줄여 생산 단가 절감과 친환경적 제조 공정을 실현할 것"으로 기대했다.