[쿠키과학]3차원 고성능 유연한 소자기판 제작기술

IBS, 스티커처럼 떼어내 옮기는 전자소자 전사공정 개발

플렉시블 전자기기의 유연한 기판에 각종 전자소자를 심으려면 우선 안정적인 단단한 경질 기판에 먼저 제작한 후 이를 분리해 옮기는 전사공정을 거쳐야 한다.

최근 전사 프린팅 기술이 발전하면서 전자소자를 경질 기판에서 분리해 연성의 타겟 기판으로 옮길 수 있게 됨에 따라 유연하고 신축성을 가진 소자 제작이 가능해졌다.

이런 연성 기판 소자의 수율을 결정하는 핵심은 전사 프린팅 중 모체 기판에서 고품질 박막을 분리하는 과정에 있다.

현재 이 과정에 레이저 보조 분리, 수중 계면 박리, 전기화학 에칭, 열 응력보조 분리 등 다양한 방법이 적용되지만,  유독물질 사용이나 고가장비 필요 등으로 실용성에 한계가 있었다.

스티커처럼 떼어내 옮기는 전자소자 전사공정

기초과학연구원(IBS) 김대형 나노입자연구단 부연구단장과 이상규 책임연구원이 부산대와 공동연구로 무손상 건식 전사 기술을 개발했다.

응력 제어를 이용한 무손상 건식 전사 프린팅 기술 개념. IBS

이 기술은 고성능 전자소자를 기판에서 스티커 떼듯 손상 없이 분리할 수 있는 것이 핵심이다.

연구팀은 서로 다른 응력을 가진 박막을 두 개 층으로 쌓은 기판을 제작하고, 이를 구부려 박막 변형에너지 방출률을 최대로 만들어 소자와 기판 사이 계면강도를 초과하면 쉽게 떨어지는 조건을 만들었다.

이를 위해 직류 마그네트론 스퍼터링의 매개변수를 조정해 이중층 구조를 구축하고, 증착된 박막 내부로 유도된 응력의 세기와 기울기를 제어했다. 

그리고 이 기판 위에 소자를 배치하고 기판을 구부리며 들어 올리면 소자가 기판으로부터 간단히 분리된다.

연구팀은 이 공정으로 유연한 전자소자 및 흐름센서, 이온농도센서, 온도센서, 박막전지(TFB) 등 3D 다기능 구조체를 제작하는 데 성공했다.

연구팀은 2차원 박막을 3차원 구조체로 변형시킬 수 있는 특징을 활용해 입체구조의 다양한 소자제조 관련 후속연구를 진행할 계획이다.

다양한 2차원 박막을 3차원 구조로 변환하는 과정. 응력이 제어된 백금 이중층 박막을 스탬프를 이용해 기판에서 분리한 후 접착층에 전사 프린팅하면 3차원 구조물을 만들 수 있다. IBS

이번 연구의 공동 제1저자인 신윤수 선임연구원은 "이번 연구는 독성물질을 사용하지 않으면서 소자 손상은 적고 후처리도 필요 없어 전사 시간을 크게 단축할 수 있다"며 "대면적은 물론 마이크로 규모 작은 패턴까지 전사할 수 있어 활용범위가 매우 넓을 것"이라고 설명했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 머터리얼스’ 6월 21일자 온라인판에 게재됐다.

대덕특구=이재형 기자 jh@kukinews.com