고성능 전자 소자를 스티커를 떼어내듯 기판에서 손상 없이 분리하는 전사 기술이 개발됐다. 전사 필요한 시간·비용을 대폭 줄일 수 있어 고성능 전자기기 제작에 널리 응용될 전망이다.
기초과학연구원(IBS·원장 노도영) 나노입자 연구단의 김대형 부연구단장(서울대 화학생물공학부 교수)과 이상규 책임연구원팀이 김지훈 부산대 교수팀과 함께 이룬 '무손상 건식 전사 기술' 개발 성과다.
고성능 소자는 주로 딱딱한 기판에서 제작되며 유연 전자기기를 만들려면 이를 딱딱한 기판에서 분리해 유연 기판으로 옮기는 전사 공정이 필수다.
기존 전사 공정은 기판·소자 사이 희생층을 화학물질로 제거하는 방식이었다. 유독한 화학물질을 사용해 작업자나 환경에 좋지 않고 소자 손상을 피하기도 어려웠다.
이에 물에서 소자를 떼어내거나 레이저·열을 이용하는 방법 등이 개발됐지만 여전히 고가 장비나 별도 후처리가 필요하고 특정 환경에서만 적용 가능했다.
연구진은 기판 자체 물성을 제어해 습식 화학물질이나 소자 손상 없이 소자를 손쉽게 떼어낼 수 있게 했다.
서로 다른 응력(외력을 가할 때 변형된 물체 내 발생하는 힘)을 가진 박막을 두 층으로 쌓아 올린 기판을 제작했다. 그 후 기판을 구부려 박막 변형 에너지 방출률(박리 과정에서 균열이 성장하는 동안 단위 면적당 방출되는 에너지의 양)을 최대화했다. 변형 에너지 방출률이 소자·기판 사이 계면 강도를 초과하면 박리가 쉽게 일어난다.
이렇게 제작한 기판 위에 소자를 제작한 뒤 스탬프(도장)를 찍고 기판을 구부리며 스탬프를 들어 올리면 소자가 간단히 분리된다. 이를 원하는 기판에 옮기면 전사가 완료된다.
공동 제1저자인 신윤수 선임연구원은 “연구진이 제시한 전사 방법은 독성 물질을 사용하지 않으며 소자 손상이 적고 후처리도 필요 없어 전사 시간이 짧다는 장점이 있다”며 “대면적은 물론 마이크로 규모의 작은 패턴까지 전사가 가능해 활용 가능성이 크다”고 설명했다.
또 연구진은 다양한 패턴의 2차원 박막을 3차원 구조체로 변형시킬 수 있음을 보였다. 옮겨 붙일 기판 접착층 패턴에 따라 3차원 구조로 바뀌는데, 필요에 따라 다양한 구조로 만들 수 있다.
공동교신저자인 이상규 박사는 “재료 물성만을 제어해 무손상 건식 전사 프린팅 기술을 개발했다는 것이 이번 연구 핵심”이라며 “2차원 박막을 3차원 구조체로 변형시킬 수 있는 특징을 활용해 입체 구조의 다양한 소자 제조 후속 연구를 진행할 계획”이라고 말했다.
연구를 이끈 김대형 부연구단장은 “전사 기술은 연성 전자, 광전자, 바이오 전자 및 에너지 소자를 포함한 많은 분야에 적용된다”며 “무손상 건식 전사 기술은 새로운 고성능 전자 소자 제작에 큰 도움이 될 것으로 기대한다”고 말했다.
연구 결과는 21일 '네이처 머터리얼스' 온라인판에 실렸다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
