Development of in situ reduction conductive resin and its application to DLP 3D printing

국문 초록 (Abstract)

디지털 광처리 (Digital Light Processing, DLP) 기반 적층제조 (Additive Manufacturing)는 높은 해상도와 빠른 조형 속도를 바탕으로 복잡한 형상의 구조물을 제작할 수 있는 유력한 기술로 자리 잡고 있다. 그러나 기존 상용 광경화 수지는 대부분 비전도성이라는 근본적 한계를 지니고 있어 전기적 기능을 요구하는 구조체의 제작에는 적합하지 않다. 특히 금속 또는 탄소계 입자를 포함한 전도성 레진은 강한 광산란과 침전을 유발하여 광침투 깊이 (Dp)를 크게 저하시킬 뿐만 아니라 점도 및 분산 안정성을 약화시켜 고해상도 조형을 제한한다. 이로 인해 기존 전도성 DLP 소재는 높은 전기전도도 (σ)를 확보하면 Dp가 급격히 감소하고, 반대로 큰 Dp를 확보하면 σ가 매우 낮아지는 상충 관계 (trade-off)를 피할 수 없었다.
본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 금속 이온을 분자 수준에서 균일하게 분산시키는 Ag+ 기반 이온형 전도성 레진을 개발하였다. Jacobs working curve 분석 결과 Dp = 797.1 µm, Ec = 38.40 m J cm-2가 도출되었으며, FTIR 분석에서는 1.5 s 노출만으로 약 90 %의 광중합 전환율이 확인되었다. 또한 150–600 µm 선폭 패턴이 높은 정밀도로 재현되었고, 열환원 이후에도 약 13 %의 균일 수축만을 보이며 우수한 구조적 안정성을 유지하였다.
열환원 과정에서 Ag+ 이온이 균일한 AgNP 네트워크로 전환됨에 따라 최대 341 S cm-1의 전기전도도를 달성하였으며, 이는 기존의 DLP 전도성 레진(σ < 30 S cm-1) 대비 매우 우수한 성능이다. 더불어 in-plane 방향 열전도도는 PEGDA 대비 약 2배 증가하였고, 영률과 인장강도 역시 개선되어 기계적 신뢰성 또한 확보되었다. 격자 구조 및 에펠탑 모델의 시연 결과는 복잡한 3D 구조에서도 형태 안정성과 연속적 전도 경로가 유지됨을 보여주었다.
특히 본 레진이 보여준 σ–Dp 성능은 기존 문헌에서 보고된 두 유형의 전도성 레진(입자 기반 레진과 이온/고분자 기반 레진)이 지니는 한계를 동시에 극복한 것으로, 본 시스템이 전도성 DLP 소재 설계에서 새로운 영역을 형성함을 의미한다. Ag+의 분자적 분산이 광산란을 억제하여 큰 Dp를 확보하는 동시에, 열환원 시 생성되는 균일한 AgNP 네트워크가 금속적 전도 경로를 제공함으로써 높은 σ와 높은 Dp의 양립이 가능해진 것이다. 또한 본 연구에서 제안한 이온 기반 설계 전략은 금속 농도, 환원 조건, 광개시제 조성 등에 따라 σ와 Dp를 정밀하게 조절할 수 있어 응용 지향적 최적화가 용이하다는 장점도 지닌다.
종합적으로, 본 연구에서 제안한 Ag+ 기반 전도성 레진은 기존 전도성 DLP 소재의 핵심 문제였던 σ–Dp 상충 관계를 근본적으로 해소하며, 고해상도 전도성 구조체, 3D 회로, 임베디드 센서, 열관리 구조 등 다양한 기능성 3D 전자소자 제작을 위한 새로운 재료 플랫폼을 제시한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Digital Light Processing (DLP)–based additive manufacturing is a promising technique for fabricating complex architectures with high spatial resolution and rapid build rates, offering significant potential for functional 3D printing applications. However, most commercially available photocurable resins are intrinsically insulating, which limits their applicability in systems requiring electrical functionality. Although conductive resins incorporating metallic or carbon-based fillers have been developed, particle-based approaches introduce ultraviolet light scattering and sedimentation, reducing the optical penetration depth (Dp) and hindering high-resolution DLP printing.
In this study, an Ag+ ion–based conductive resin was designed by uniformly dispersing metal ions at the molecular scale, enabling stable photopolymerization without sacrificing ultraviolet transparency. Jacobs working curve analysis yielded a large optical penetration depth (Dp = 797.1 µm) and a critical exposure energy of 38.40 m J cm-1, while FTIR spectroscopy confirmed approximately 90 % monomer conversion within 1.5 s of UV exposure. Based on this photopolymerization behavior, line patterns with widths ranging from 150 to 600 µm were fabricated with high fidelity, and the printed structures exhibited uniform shrinkage of approximately 13 % after thermal reduction.
During thermal reduction, Ag+ ions were converted into a continuous silver nanoparticle (AgNP) network, resulting in a high electrical conductivity of up to 341 S cm-1. Concurrently, the Ag network also functioned as a heat transfer pathway, leading to anisotropic thermal transport, with in-plane and through-plane thermal conductivities of 1.49 and 0.31 W m-1 K-1, respectively. In addition, increases in Young’s modulus and tensile strength confirmed enhanced mechanical stiffness and structural reliability.
Overall, the Ag+ ion–based conductive resin proposed in this study presents a new DLP material design strategy that simultaneously satisfies photopolymerization compatibility and functional transport properties. The uniformly dispersed Ag+ ions are converted into a continuous silver nanoparticle network through thermal reduction, forming multifunctional conductive pathways that enable both electrical and thermal transport throughout the printed structure. Consequently, this study extends the scope of conductive DLP materials beyond purely electrical functionality and demonstrates their potential as a 3D printing–based functional material platform in which electrical and thermal transport properties can be integrally engineered.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1-1. Principle and features of DLP 3D printing 1
• 1-1-1. DLP 3D printing system and operation process 3
• 1-2. Conductive resin 5
• 1-2-1. Types of conductive reins 7
• 1-2-2. Comparative filler-based and ion-based conductive resins 10
• 1-3. Research objective 12
• Chapter 2. Material & Method 15
• 2-1. Resin preparation 15
• 2-1-1. Material 15
• 2-1-2. Resin synthesis method 16
• 2-2. Materials Processing and Characterization 19
• 2-2-1. Photopolymerization and thermal reduction process 19
• 2-2-2. Characterization 19
• 2-3. Fabrication of 3D conductive structure 21
• 2-3-1 3D printing 21
• 2-3-2. Thermal reduction 23
• Chapter 3. Result & Discussion 25
• 3-1. Comparison of filler-based and ion-based resin 25
• 3-2. Photopolymerization 28
• 3-2-1. FTIR & Degree of conversion 28
• 3-2-2. 3D printing resolution 31
• 3-2-3. Jacob’s Working Curve 34
• 3-3. Conductive performance 37
• 3-3-1. Electrical conductivity 37
• 3-3-2. Thermal conductivity 41
• 3-4. Structural properties of 3D conductive structures 44
• 3-4-1. Surface profiling 44
• 3-4-2. Mechanical property 47
• 3-5 Demonstration 51
• 3-6 Application 53
• 3-7 Comparison of printing performance with other paper 55
• Chapter 4. Conclusion & Future work 58
• 4-1. Conclusion 58
• 4-2. Future work 60
• Reference 62
• 논문요약 70