국립부경대 권혁진 교수 연구팀, 비진공·저온서 제작 가능 '차세대 절연소재' 개발

유연 전자기기 시대 앞당길 것 기대… 국제학술지 발표

국립부경대학교(총장 배상훈)는 권혁진 교수(에너지화학소재공학전공) 연구팀이 차세대 유연 전자기기의 핵심 소재로 주목받는 유무기 하이브리드 기반 신규 절연 소재를 개발했다고 17일 전했다.

국립부경대학교 권혁진 교수. 국립부경대 제공

권혁진 교수를 비롯해 강원대 김주영 교수(신소재공학과), 건국대 김세현 교수(화학공학부) 등 공동 연구팀은 이번 연구 결과를 재료 분야 국제 학술지(IF: 18.5)에 3월 발표했다.

최근 급성장하고 있는 웨어러블 기기, 사물인터넷(IoT), 플렉시블 디스플레이 등 차세대 전자소자 분야에서는 저전력 구동과 안정적인 신호처리를 위해 전기적 성능이 뛰어난 절연 소재가 필수적이다.

공동 연구팀은 이러한 요구에 대응하기 위해 비진공, 저온 공정 기반으로 제작할 수 있는 혁신적인 재료 합성 전략을 제시하고, 새로운 유무기 하이브리드 절연 소재를 개발하는 데 성공했다.

연구팀은 이번 연구에서 간단한 제조 공정을 통해 고유전율(high-k)을 지닌 산화지르코늄(ZrO2), 산화티타늄(TiO2) 등 무기물과 유기물을 결합한 형태의 습식 유무기 하이브리드 절연 소재를 제작했다. 이 새로운 소재는 전자소자의 핵심 절연층 역할을 효과적으로 수행하는 동시에 유연 기판에서 안정적인 동작이 가능한 특성을 보유한 것으로 나타났다. 연구팀은 이 소재가 차세대 플렉시블 기기, 대면적 인쇄 전자회로 등 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

또 연구팀이 이 유무기 하이브리드 소재 박막을 절연층으로 활용해 제작한 박막 트랜지스터(TFT)는 약 2V 수준의 낮은 전압에서 우수한 구동 성능을 보이는 것으로 나타났다. 각 재료의 산화물 조성과 구조적 특성 차이로 인해 구동 특성과 히스테리시스(hysteresis) 거동이 다르게 나타나는 점도 확인했다. 이는 디바이스의 목적과 요구되는 특성에 따라 다양한 형태로 맞춤형 설계가 가능하다는 것으로, 저전압 구동 트랜지스터뿐 아니라 메모리 소자, 통합형 프린팅 전자회로 등에도 응용될 수 있다.

특히 이번에 개발한 유무기 하이브리드 절연 소재는 비진공 상태에서 상온이나 낮은 온도에서도 제조할 수 있어 고가의 장비나 대규모 인프라 없이도 대량 생산과 대면적화가 수월하다는 점이 특징이다. 연구팀은 이 소재로 기존 반도체 공정의 한계를 보완하고, 에너지·비용을 절감해 대중적이고 범용적인 전자소자 제작이 가능할 것으로 보고, 인체에 부착하는 웨어러블 디바이스, 의료용 센서, 실내외 환경 모니터링 네트워크 등 다양한 분야에서 저전압으로 구동되는 전자소자를 구현하는 데에도 기여할 것으로 예상했다.

(위쪽)신규 유무기 하이브리드 소재와 이를 활용한 인쇄 전자 소자, (아래쪽)전용액 공정을 통한 인쇄형 전자 소자 제작 과정과 제작.

권혁진 교수는 “이번 연구가 차세대 전자소자의 저전력화와 인쇄 공정 확산을 가속화해 유연 전자 시대를 앞당기는 기반이 될 것으로 기대한다. 앞으로도 다양한 소재 간 융합 연구와 산업화 협력을 통해 지속 가능한 전자소자 생태계 조성에 기여할 계획”이라고 말했다.

영남취재본부 김철우 기자 sooro97@asiae.co.kr