용해 가능한 3D 프린팅 전자: 폐기물 감소

University of Maryland와 Georgia Institute of Technology의 엔지니어들이 협력하여 최초의 용해 가능한 3D 프린팅 전자를 만들었습니다. 새로운 공정은 재활용 가능성 개념을 재고하고 이를 제조와 결합하여 원활한 순환 경제를 창출합니다. 용해 가능한 3D 프린팅 전자가 어떻게 지속 가능한 장치의 새로운 세대를 고무시킬 수 있는지 살펴보겠습니다.

E-Waste is a Major Concern

세계는 기술 문제에 직면해 있습니다. 최신 버전이 아니라, 오래되고 고장 난 제품들이 매립지를 계속 채우고 있기 때문입니다. 오늘날 전자는 많은 귀중한 부품을 가지고 있지만, 그 구조 방식 때문에 재활용을 통해 이 부품들을 회수하는 것이 거의 불가능하거나 수익성이 매우 낮습니다. 결과적으로 이러한 장치들은 빠르게 쓰레기가 됩니다.

World Health Organization에 따르면, 전자 폐기물은 전 세계 오염의 주요 원인입니다. 최근 보고서는 올해 약 6,500만 톤의 전자 폐기물이 폐기될 것이라고 보여줍니다. 안타깝게도 이는 전년 대비 300만 톤 증가한 수치입니다. 이러한 통계는 전자 폐기물의 22% 미만만이 실제로 재활용된다는 위험한 추세를 드러냅니다.

Computer Chip Waste and Environmental Impact

폐기되는 품목을 더 깊이 살펴보면, 컴퓨터 칩이 가장 흔하면서도 환경에 가장 해로운 품목 중 하나임을 알 수 있습니다. 현재 산업 표준인 컴퓨터 칩은 FR-4를 사용합니다. 이 재료는 유리섬유 직물과 에폭시 수지를 결합하여 만들어집니다. 그런 다음 칩은 양면에 구리 호일을 라미네이트합니다.

Combating E-Waste Challenges

전 세계적으로 전자 폐기물 양을 줄이기 위한 많은 시도가 있었습니다. 이러한 접근 방식에는 제조 공정을 재고하고, 환경 친화적인 재료 대안을 연구하며, 현 상황보다 저렴한 옵션을 찾는 것이 포함됩니다.

하지만 폐기물을 억제하는 여정에는 여전히 큰 장애물이 남아 있습니다. 첫째, 재활용 방법은 비용이 많이 들고 특수 장비가 필요해 산업 참여자에게만 제한됩니다. 또한 재활용 과정은 폐기물을 장거리로 수집·운송해야 할 수 있어 비용과 위험이 추가됩니다.

Costly Methods

게다가 현재 방법은 열을 이용해 칩의 재활용 가능한 부품을 분리하는 데 초점을 맞추고 있습니다. 이 접근 방식은 재활용 과정에서 독성 가스와 기타 오염 물질을 발생시켜 이점이 상쇄됩니다. 또한 에너지 소모가 매우 커 운영 비용이 높습니다.

PCB 칩 재활용 전략의 또 다른 주요 문제는 이러한 장치가 제품별 설계에 맞게 제작된다는 점입니다. 따라서 다양한 방식으로 결합되고, 재활용 과정에서 분리하기 어려운 재료를 사용할 수 있습니다. 최고의 FR-4 기반 PCB 재활용 프로그램조차도 귀중한 부품의 부분적인 회수만 지원합니다.

Dissolvable 3D Printed Electronics Study

“DissolvPCB: Fully Recyclable 3D-Printed Electronics with Liquid Metal Conductors and PVA Substrates 1” 연구는 UIST 2025에서 발표되었으며, 핵심 부품의 저비용 회수를 가능하게 하는 새로운 설계 및 제작 방식을 소개했습니다. DissolvPCB라고 명명된 새로운 칩 설계는 전통적인 FDM 칩과 동등한 성능을 제공하는 최초의 완전 재활용 가능한 PCB입니다.

출처 – Arxiv

DissolvPCB

향상된 설계, 제작 및 재활용 워크플로는 PVA 기반 FDM 3D 프린팅과 EGaIn 액체 금속 회로를 통합하여 재사용 가능한 플랫폼에서 유사한 성능을 제공합니다. 인상적으로도 팀은 기존 상용 FDM 3D 프린터를 사용해 새로운 칩을 제작했습니다.

PCBA Composite

이 과정의 첫 단계 중 하나는 안정적인 3D 프린팅 회로 기판을 만들 수 있는 더 나은 재료를 찾는 것이었습니다. 많은 연구 끝에 팀은 물에 용해되는 폴리비닐 알코올(PVA) 유전체를 기본 재료로 통합한 새로운 PCB 복합재를 선택했습니다.

특히, 폴리비닐 알코올(PVA)은 물에 용해되며 침수 후 24시간 이내에 자동으로 분해됩니다. 이러한 특성은 엔지니어들의 목표에 이상적이었습니다. 또한 비용이 저렴하고 쉽게 구할 수 있습니다.

Dissolvable 3D Printed Electronics Wiring

배선에는 EGaIn(침전 갈륨‑인듐)이라는 특수 필라멘트를 사용했습니다. 이 재료는 유연한 액체 금속으로 3D 프린터에서 직접 적용할 수 있습니다. 구리와 같은 전도성을 가지고 있으며 거의 모든 형태에 맞게 적용할 수 있어 마이크로칩에 이상적입니다.

Electronic Components

또한 전기 부품은 3D 프린팅 과정이 끝난 후 수동으로 칩에 추가되었습니다. 이후 팀은 습기를 차단하도록 설계된 폴리머 접착제 실링을 적용했습니다. 접착제 층과 칩을 60°C에서 1시간 가열해 과정을 완료했습니다.

Dissolving the Microchip

DissolvPCB는 이름 그대로 작동합니다. 물에 24‑36시간 침수시키면 완전히 재처리할 수 있습니다. 더욱 인상적인 점은 PCB 기판을 수집해 새로운 칩의 프린팅 필라멘트로 재사용할 수 있다는 것입니다. 또한 EGaIn 배선은 작은 금속 방울로 분리되어 수집·재사용이 가능하며, 수동으로 배치한 부품도 그대로 유지됩니다.

Designing Dissolvable 3D Printed Electronics

새로운 칩을 설계하기 위해 팀은 특수 CAD 업그레이드를 만들기로 했습니다. 오픈소스 FreeCAD 플러그인은 엔지니어가 전통 회로 도식을 자동으로 3D 프린팅 가능한 설계로 변환하도록 돕습니다. 이 접근 방식은 새로운 사용자의 진입 장벽을 낮추고 엔지니어가 3차원 회로 트레이스를 쉽게 만들 수 있게 하여 활용 사례를 크게 확대합니다.

Dissolvable 3D Printed Electronics Test

테스트 단계의 일환으로 팀은 여러 장치를 제작했습니다. 이 장치에는 블루투스 스피커, 피젯 토이, 그리고 그리퍼 손이 포함되었습니다. 특히 블루투스 스피커는 양면 PCB를 사용했으며, 피젯 토이는 3D 회로를 활용했습니다. 팀은 전통 칩을 사용하는 버전과 비교해 이 장치들을 구축하고 테스트했습니다.

비교는 기능 및 성능 테스트부터 시작되었습니다. 이후 설계 측면에서 칩을 비교했습니다. 이 단계에서는 3D 프린팅 트레이스 치수, 최소 절연 거리, 전도성, 전류 용량 및 기타 핵심 성능 지표를 포착했습니다. 또한 장치의 열 및 습기 한계도 테스트했습니다.

Dissolvable 3D Printed Electronics Test Results

테스트 결과는 새로운 칩 설계가 기존 제품과 성능 면에서 비교 가능함을 보여주었습니다. 유사한 기능을 제공하며 기존 칩을 문제 없이 대체할 수 있습니다. 이 발견은 향후 적용 분야의 문을 열어줍니다.

재활용 가능성 측면에서 새로운 칩 설계는 이전 옵션을 능가했습니다. 팀은 전체 프로세스가 물에 간단히 담그는 것만으로도 손쉬운 분해와 부품 회수를 가능하게 한다고 언급했습니다. 이 방법은 현지에서 수행 가능하고 전문 지식이 필요 없으며 다른 재활용 옵션보다 훨씬 높은 회수 수율을 제공한다고 기록했습니다.

특히 팀은 PVA에 대해 99.4%, 액체 금속에 대해 98.6%의 회수율을 기록했습니다. 이러한 비율은 이전 모든 재활용·회수 방법을 압도합니다. 또한 회수된 모든 전기 부품이 기능을 유지한다는 점도 언급했습니다.

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Dissolvable 3D Printed Electronics Benefits

용해 가능한 3D 프린팅 전자는 많은 이점을 제공합니다. 가장 명백한 이점은 이 과정이 전 세계적으로 증가하고 있는 전자 폐기물을 감소시킨다는 점입니다. 이 간단한 적층 제조 과정은 재활용을 핵심 설계에 내재화하여 순환 경제를 만들고 폐기물을 줄입니다.

Widely Available

이 연구의 또 다른 큰 장점은 널리 이용 가능한 재료와 공정을 기반으로 한다는 점입니다. 모든 재료와 프린터는 누구나 현지 매장이나 온라인에서 구매할 수 있습니다. 별도 개조가 필요 없는 일반 프린터는 비용이 많이 들지 않으며 필요 시 특수 작업에 맞게 조정할 수 있습니다.

Flexibility

DissolvPCB는 새로운 수준의 유연성을 제공합니다. 먼저 CAD 업그레이드 덕분에 엔지니어가 관통형(Through‑Hole, THT) 및 표면 실장형(SMD) 칩 설계를 손쉽게 만들 수 있습니다. 또한 단면 또는 양면 어셈블리를 만들 수 있어 앞으로 거의 모든 전자 제품에 이 칩이 적용될 수 있습니다.

Scalable

엔지니어 작업에서 확인된 또 다른 큰 장점은 공정의 확장성입니다. 재활용 과정에 특수 기계, 열, 화학 물질이 필요하지 않기 때문에 산업용으로 확대하기가 매우 쉽습니다. 따라서 이 전략은 앞으로 폐기물 방지를 위한 최선의 선택이 될 가능성이 높습니다.

Real-World Applications and Timeline for Dissolvable Electronics

용해 가능한 전자는 실제 적용 분야가 다양합니다. 첫째, 프로토타이핑 및 연구 목적에 이상적입니다. 연구·개발(R&D) 과정에서 많은 폐기물이 발생하는데, 이 칩 설계는 폐기물을 없애고 설계와 적용에 완전한 유연성을 제공합니다.

Working 3D Printed Electronics

이 제작 방법은 다른 프린팅 방식과 결합해 작동하는 전자를 만들 수 있습니다. 프로그래밍 가능한 기계적 동작을 특징으로 하는 프린트 디자인과 결합하면, 컴퓨터 칩부터 일회용 센서까지 모든 분야에 활용 가능한 복합 프린트를 구현할 수 있습니다.

Medical Applications

엔지니어가 습기에 대한 사전 노출을 방지하는 신뢰할 수 있는 방법을 찾는다면, 이 칩은 의료 분야에 이상적일 수 있습니다. 심박조율기와 같이 이식 및 제거를 위해 침습적 절차가 필요한 의료 기기가 있습니다.

미래에는 의료 전문가가 필요 없게 된 경우 물에 잠기도록 설계된 포트를 가진 장치를 만들 수 있습니다. 이 접근 방식은 장치를 용해시켜 오염 및 외과적 절차를 감소시킬 수 있습니다.

Disposable Electronics

또 다른 주요 활용 분야는 일회용 전자 제품입니다. 전자 담배와 같은 일회용 전자는 수명이 끝난 후 매립지를 계속 오염시킵니다. 이 장치를 수명 주기 내에 쉽게 재활용하도록 설계하면 진정한 일회용 전자의 시대를 열 수 있습니다.

Dissolvable 3D Printed Electronics Timeline

앞으로 5년 안에 이러한 칩이 전자 제품에 적용되는 모습을 볼 수 있을 것입니다. 재활용 가능한 칩에 대한 강한 수요가 있으며, 이 접근 방식은 엔지니어가 필요로 하는 유연성과 성능을 제공합니다. 이들의 작업은 지속 가능한 제조 관행을 촉진하는 데 기여할 것입니다.

Dissolvable 3D Printed Electronics Researchers

University of Maryland, Georgia Institute of Technology 및 기타 기관의 엔지니어들이 용해 가능한 3D 프린팅 전자 연구를 실현하기 위해 협력했습니다. 논문에는 Huaishu Peng, Zeyu Yan, SuHwan Hong, Huaishu Peng, Tingyu Cheng, Josiah Hester가 주요 기여자로 명시되어 있습니다.

이 프로젝트는 Sandbox, Jagdeep Singh Family Makerspace, Terrapin Works, BioWorkshop의 재정 및 재료 지원을 받았습니다. 또한 미국 국립 과학 재단, Alfred P. Sloan Foundation, VMware, Google의 보조금도 받았습니다.

Dissolvable 3D Printed Electronics Future

DissolvPCB의 미래는 몇 가지 핵심 요소에 달려 있습니다. 첫째, 팀은 새로운 칩 설계의 신뢰성과 내구성을 입증하기 위한 추가 작업이 필요합니다. 또한 칩이 재활용 시점까지 습기에 노출되지 않도록 하는 방법을 지속적으로 탐구해야 합니다.

Investing in Semiconductor Manufacturing

칩 제조 분야에는 많은 기업이 있습니다. 이 기업들은 전자 및 기술 부문의 핵심 역할을 수행하며 오늘날 가장 진보된 장치를 구동합니다. 여기서는 칩 제조 분야에서 혁신적인 힘을 유지하고 있는 한 기업을 소개합니다.

Advanced Micro Devices Inc.

Advanced Micro Devices Inc.는 1969년 5월 1일에 설립되어 성장 중인 컴퓨터 시장에 신뢰할 수 있는 반도체를 제공했습니다. 이 회사는 Jerry Sanders와 Fairchild Semiconductor 출신 엔지니어 팀에 의해 설립되었습니다.

Advanced Micro Devices는 1970년 Am9300 시프트 레지스터 출시로 시장에 큰 반향을 일으켰습니다. 1982년까지 Intel 등 업계 리더와 파트너십을 체결했으며, 이는 브랜드 인지도와 시장 포지셔닝을 강화하는 데 도움이 되었습니다.