긁고, 접고, 800℃에도 끄떡없는 '폴더블 기판'..."시장판도 바뀔까"

한-미 연구진, 10나노 이하급 투명 전극 회로 제작 성공

(지디넷코리아=박희범 기자)한-미 연구팀이 액상 금속에서 자연적으로 생기는 산화막을 대면적, 연속적으로 인쇄하는 공정을 구현하고, 이를 통해 스크래치에 강한 나노 두께의 폴더블 투명 전극과 회로를 제작하는데 성공했다.

POSTECH은 이 연구에 신소재공학과 정운룡 교수, 공민식 박사 연구팀과 미(美) NCSU 마이클 디키(Michael Dickey) 화학 · 생체 분자 공학부 교수 및 만 호우 봉(Man Hou Vong) 박사과정생 연구팀이 참여했다고 16일 밝혔다.

연구결과는 과학분야 국제 학술지 ‘사이언스(Science)’에 16일(한국 시각) 게재됐다.

POSTECH 연구진.(왼쪽부터 정운룡교수, 공민식 박사, 마이클 디키교수, 만 호우 봉 박사과정생)

스마트폰이나 태블릿, 노트북 등 전자기기 제조의 핵심 기술 중 하나는 ‘금속 산화물 박막’이다. 이를 고밀도, 대면적으로 제조하는 역량이 제품 품질을 좌우한다. 그러나 기존 요액 합성법으로는 대면적 제조만 가능했다.

한-미 연구팀은 공기 중 금속 표면에 자연스레 형성되는 얇은 산화막에 주목했다.

액상 금속은 표면장력이 매우 커 기판 위에 얇게 펴지기보다는 물방울처럼 다시 뭉치는 성질이 있다. 연구팀은 이러한 비젖음성(dewetting)을 활용하면 산화막을 쉽게 분리할 수 있다는 점에 착안, 균일한 금속 산화막을 연속적으로 인쇄하는 공정을 설계했다.

연구팀은 프린터 헤드(head) 부분에 열을 가해 금속을 액체 상태로 만들었다. 그리고, 인쇄 과정에서 얇은 금속층이 위/아래 산화막 사이에서 비젖음성으로 프린터 헤드와 함께 밀려나게 함으로써, 금속 잔류물 없이 깨끗한 산화막을 얻는 데 성공했다.

연구팀은 이 기술로 비정질 갈륨(Ga)·인듐(In)·알루미늄(Al) 산화막 등을 다양한 기판(실리콘 웨이퍼, 유리, 고분자, 금속 등)에 인쇄했다. 갈륨 산화막으로 절연막을 만들거나, 갈륨 산화막 내부에 금 또는 구리를 증착해 전도성을 부여하는 데도 성공했다.

일반적으로 산화물에 금속을 증착하는 경우 산화물과 금속 간 접착력이 약하지만, 이 기술로 인쇄한 산화막은 내부로 확산한 금이나 구리 덕분에 접착력이 뛰어나다.

위는 액상 금속을 이용한 연속적 산화물 박막 인쇄 모식도 및 고분자 기판에 인쇄된 갈륨산화막이다. 아래 그림은 구기거나 접어도 망가지지 않는 회로 기판과 나뭇잎에도 전사할 수 있는 나노 두께의 유연하고 투명한 회로, 스크래치가 나지 않는 투명전극이다.(그래픽=POSTECH)

연구팀은 이를 바탕으로 800℃ 고온에서 안정적이고, 구겨지거나 완전히 접어도 망가지지 않는 10㎚ 이하 두께의 폴더블 투명 회로를 완벽하게 구현했다.

POSTECH 정운룡 교수는 “비정질 상태의 자연 산화막에 일반적인 연속 프린팅 공정을 적용하고, 이를 통해 스크래치에 강한 나노 두께의 폴더블 투명 전극과 회로를 만든 최초 사례”라고 설명했다.

공민식 박사는 ”비정질 상태의 자연 금속 산화막은 기계적 · 전기적 성능이 독특해 앞으로 다양한 추가 연구가 기대된다"고 덧붙였다.

이 연구는 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업, 미래유망 융합기술 파이오니아사업의 지원으로 수행됐다. 연구시설은 포항 방사광가속기를 이용했다.

박희범 기자(hbpark@zdnet.co.kr)