넓은 디스플레이에 하나씩 옮기던 전자소자, '롤러'로 한번에

포스텍

국내 연구팀이 넓은 면적의 디스플레이에 촘촘하고 빠르게 전자소자를 배치할 수 있는 기술을 개발했다. AI 생성 이미지. 게티이미지뱅크 제공.

스탬프로 하나씩 찍어 옮기던 전자소자를 롤러 한번으로 동시에 여러 개 옮기는 기술이 나왔다. 넓은 면적에 빠르고 균일하게 소자를 배치할 수 있어 차세대 디스플레이와 태양 전지 생산성을 크게 높일 수 있을 것으로 기대된다. 

포스텍은 김석 기계공학과 교수팀이 전자 소자를 빠르고 정밀하게 옮길 수 있는 '롤-스탬프-플레이트(R2S2P)' 기반 전사 기술을 개발했다고 4일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 '미국화학회(ACS) 어플라이드 머티리얼즈 & 인터페이시스'에 지난 2월 23일 앞표지 논문으로 게재됐다.

태양광 전지·디스플레이·웨어러블 센서 등 넓은 면적에 소자를 배열해야 하는 전자기기는 대부분 '전사' 공정을 거쳐야 한다. 소자를 처음 만든 기판에서 떼어내 최종 기판에 옮겨 붙이는 과정으로 주로 도장처럼 생긴 틀인 접착 '스탬프'로 눌러 소자를 하나씩 옮기는 방식을 사용한다. 높은 정밀도와 해상도를 구현할 수 있지만 넓은 면적을 처리하기에는 시간이 오래 걸리고 생산성이 낮다.

논문 표지 이미지. 롤러가 스탬프 위를 굴러 지나가며 여러 종류의 소자가 붙었다 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 포스텍 제공.

연구팀은 스탬프 방식에 '롤러'를 결합한 'R2S2P' 전사 기술을 고안했다. 인쇄기 롤러가 종이 위를 굴러가듯 롤러가 스탬프 위를 굴러가며 압력을 가해 소자를 순차적으로 붙였다 떼는 방식이다. 접착 면적이 넓어 다수의 소자를 연속적으로 옮길 수 있다.

이 기술의 핵심은 접착력이 자유자재로 바뀌는 새로운 스탬프 구조다. 표면에는 미세한 돌기를 심고 그 아래 잘 늘어나는 탄성층을 추가했다. 롤러로 압력을 가하면 미세 돌기가 눌리며 소자가 강하게 붙는다. 롤러가 굴러 지나가 압력이 사라지면 돌기가 원래 형태로 돌아오면서 접착력이 줄어 소자가 자연스럽게 떨어진다.

연구팀은 고속 카메라 촬영과 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 소자가 떨어지는 속도와 방식이 전사 성공률에 영향을 미친다는 점을 확인하고 공정 설계에 반영했다. 그 결과 1제곱센티미터 면적을 0.34초만에 처리하는 고속 전사 공정을 구현했다.

속도 향상만이 장점은 아니다. 차세대 전자기기는 금속·유기물 등 여러 소재의 소자가 필요하다. 'R2S2P' 기술은 소재 종류에 무관하게 적용 가능해 다양한 소재를 넓은 기판 위에 균일하게 배치할 수 있다. 마이크로LED 디스플레이·태양광 패널·피부 부착형 센서 등 넓은 면적이 필요한 차세대 전자기기 제조 전반에 활용 가능성이 크다.

김석 교수는 "접착력을 상황에 따라 정밀하게 바꾸는 롤 기반 전사 플랫폼을 구현했다"며 "대면적에서 안정적으로 소자를 옮길 수 있어 생산성을 높일 수 있다"고 밝혔다.

<참고 자료>
doi.org/10.1021/acsami.5c24113

[조가현 기자,문혜원 인턴기자 gahyun@donga.com,moony@donga.com]