KISTI 산업정보분석실 김경호 (Tel: 02-3299-6010  e-mail: kimkho@kisti.re.kr)

인쇄 기술의 진화와 함께 증가하는 나노 잉크의 수요
잉크는 이미지, 텍스트 또는 디자인을 채색하기 위해 사용되는 안료 또는 염료의 용액이나 페이스트를 말한다. 페이스트와 같이 농도가 진한 잉크는 리소그래피(Lithography)나 오프셋(Offset) 등의 상업용 인쇄에 사용된다. 잉크는 다양한 색깔의 염료 또는 안료가 용매, 수지, 윤활제, 계면활성제 및 첨가제에 용해되어 있다.
현대 산업에서 인쇄 잉크는 출판, 포장, 화폐, 은행권 및 이들과 유사한 문서, 다양한 형태의 통신 및 정보 데이터 등의 인쇄에 사용된다. 상업용 인쇄 잉크 시장은 경제적이고 신속하고 사용하기 쉬운 새로운 인쇄 기술들의 진화와 함께 성장하고 있다. 잉크젯 프린터 및 디지털 인쇄와 같은 기술들은 잉크의 다양한 상업적 응용을 확대하는 데 기여하고 있다.

현재 전자부품의 인쇄에는 인듐 주석 산화물 잉크와 실버 플레이크 잉크가 가장 많이 사용되고 있으며, 미세 형상의 전자회로를 인쇄하기 위한 나노 잉크의 수요가 증가하고 있다.

현재 전자부품의 인쇄에는 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide, ITO) 잉크와 실버 플레이크(Silver Flake) 잉크가 가장 많이 사용되고 있으며, 미세 형상의 전자회로를 인쇄하기 위해 나노 잉크의 수요가 증가하고 있다. 나노 잉크는 태양광전지, 센서, RFID, 추적물질(Taggant), 인쇄 RFID 안테나, 인쇄 배터리, OLED, OPV, 플렉시블 디스플레이, 조명, 터치 스크린, 스마트 포장 등 다양한 용도로 응용되고 있으며, 전도성 잉크, 유전체 잉크(Dielectric Ink), 은현 잉크(Invisible Ink)의 형태로 사용되고 있다.
  
다양한 기재에 의한 나노 잉크의 적합성으로 다양한 기술 개발
현재 여러 가지 반도체성 금속의 나노 재료가 전도성 잉크의 개발에 사용되고 있으며, 가장 입증되고 있는 재료는 은, 구리, 카본, 그래핀이며 그밖에 금과 실리콘이 있다. 나노 잉크는 엷은 분산성 재료로 코팅된 금속 나노입자가 용매 중에 희석되어 있으며, 미세 형상의 전자회로의 인쇄가 가능하며 기존 제조법보다 낮은 소성 온도를 갖고 있다.

은 나노 잉크(Silver Nanoparticle Inks)
은 나노입자 잉크는 용매 기재와 매체(Medium)에 은 나노입자를 넣어서 만든다. 은 나노입자는 독특한 광학적, 전기적, 열적 성질을 가지고 있다. 은 나노 잉크는 2~100nm의 다양한 입자 크기를 가지며, 입자 크기는 광학 밀도와 피크 파장 등의 물성에 있어 다른 물성을 나타낸다. 실버 잉크는 다양한 농도, 점도, 용매(수용액, 톨루엔, 이소프로필 알콜 등)로 제조되며 보통은 25~100 ml pack으로 판매된다. 실버 나노입자의 주된 용도는 태양전지, LED 및 IC 인쇄용 전도성 잉크이다.

구리 나노 잉크
구리 나노입자 잉크는 은보다 싸고 은의 90~95% 전도도를 나타내기 때문에 수동형이면서 고전도성 또는 미세 구조를 요구하지 않는 저성능 인쇄 전자제품에 사용된다. 구리 나노입자 잉크는 릴-투-릴(Reel-to-reel) 및 스크린 인쇄와 같은 재래적 인쇄기술로 적용될 수 있다.

탄소 및 그래핀 나노 잉크
현재 개발, 상용화되고 있는 탄소 나노 잉크는 수용성 현탁액 중에 카르복실(COOH) 그룹으로 기능화된 탄소 나노튜브를 넣어주고, 또 잉크의 장기적 안정성과 인쇄성을 부여하기 위해 최소 농도의 첨가제를 추가하여 제조된다.
탄소 나노 잉크는 가용 재료 중 가장 값싼 자원이며 다양한 기재 상에 쉽게 인쇄될 수 있고 양호한 접착성과 전도성을 갖는다. 그 때문에 태양광전지, RFID 태그, 바코드, 트래커(Tracker, 추적자), 센서, 안테나, 반도체 디바이스, 디스플레이, 배터리 등의 인쇄에 큰 잠재력을 제공한다.
최신 연구 중의 하나인 전도성 잉크젯 기술(Conductive Inkjet Technology, CIT)은 나노입자 분산의 내재적 한계를 극복하려는 것으로, Reel-to-reel Web Printing 공정에 적합하며, RFID 태그를 고속, 저비용으로 대량 인쇄할 수 있는데, 탄소 나노 잉크가 기술 적용 대상이다.

나노 잉크는 엷은 분산성 재료로 코팅된 금속 나노입자가 용매 중에 희석되어 있으며, 미세 형상의 전자회로의 인쇄가 가능하며 기존 제조법보다 낮은 소성 온도를 갖고 있다.

양자점 나노 잉크
양자점(Quantum Dots) 잉크는 은현 잉크(위조방지 및 비밀 잉크)로서 가장 많이 사용되고 있다. 이들 잉크는 UV 광 아래서는 읽을 수 있으나 육안으로는 보이지 않아, 화폐 인쇄, 신용카드, 여권, 은행권 및 공문서의 비밀 마크에서 그 응용 잠재력이 크다. 양자점은 크기, 형태, 조성에 따라 여러 가지 색깔을 나타낼 수 있으며, 적용에 있어서 고휘도, 고효율, 저에너지 소비의 특성을 가진다. 양자점 잉크는 주로 LED 및 OLED 기반의 디스플레이에 사용되며, 롤-투-롤 인쇄 기술을 사용하여 저렴한 기재에 인쇄될 수 있다.
따라서 현행 디스플레이에 보다 저렴한 방법을 제공할 수 있다. 기존 잉크(ITO 및 실버 플레이크 잉크)는 두께와 전도성 측면에서 제약이 있다.
인쇄전자에 사용되는 최신 기재들에서는 고전도성과 함께 최소한의 마이크로 또는 나노 크기의 유연한 필름(막)을 제공해주는 잉크가 요구된다. 신세대의 나노재료 잉크는 비용 효과적이며, 또 잉크젯 프린팅과 같이 일단계 인쇄 공정이 사용된다. 이들 잉크는 또 큰 양자 효과와 고전도성에 이상적인 광학적 성질을 가지고 있으며, 플라스틱, 고분자, 종이, 섬유 등 어떤 형태의 기재 상에도 인쇄될 수 있어야 한다.

유형별 나노 잉크의 시장 전망에서 전도성 잉크는 인쇄전자산업 판도를 가늠하는 가장 중요한 용도이다. 소비자 전자제품, 전자부품, 태양광전지, 신세대 디스플레이, 스크린 등의 제조에 모두 전도성 잉크를 사용되고 있다.
전도성 나노 잉크의 사용은 2012년 210백만 달러에서 CAGR 18.0%로 2018년 765백만 달러에 이를 것으로 전망되며, 이는 나노 잉크가 다양한 응용 시장을 선도하게 될 향후 10년의 이정표가 될 것으로 보인다. 은, 구리, 탄소 기반의 나노재료가 이들 잉크에서 사용되고 있으며 시장을 선도하고 있다. 비밀 잉크(Security Ink)는 대부분 양자점으로부터 개발되는 나노 잉크이며, 비가시적이어서 인증의 위조방지, 서명 및 마크에 사용될 수 있다. 2018년 나노재료 기반의 비밀 잉크(은현 잉크)의 시장은 45백만 달러에 달할 것으로 예측된다.

나노 잉크 기술의 해결 과제와 향후 전망 
기존 잉크 시장은 성숙기에 있고, 기술의 변화와 함께 인쇄 기술과 인쇄 기재에 대한 혁신이 요구되고 있다. 첨단 나노 잉크가 ITO 및 실버 플레이크 잉크의 성숙 시장을 서서히 침투하고 있다. 나노 잉크의 산업적 대량 생산을 위해서는 안정성, 점도, 습윤성 등 핵심적인 과제들이 해결되어야 한다.

나노 잉크의 산업적 대량생산을 위해서는 안정성, 점도, 습윤성 등 핵심적인 과제들이 해결되어야 한다.

먼저, 성능 재현을 보장하기 위해서 나노입자의 분산, 엉킴, 침전에 대한 안정성이 큰 과제이며, 전도성 유지를 위한 용매의 증발 방지, 연속 금속 상(phase)을 얻기 위한 나노입자의 소성을 위한 인쇄후 공정(Post-printing Process) 등에 대한 연구가 필요하다.