붙였다 뗄 수 있는 스티커형 전자소자

[산업일보]
광주과학기술원 고흥조 교수 연구팀은 두껍고 딱딱한 기판을 머리카락 굵기의 1/10에 해당하는 초박막 기판으로 대체해 전자소자의 유연성을 높이는 한편, 이렇게 만들어진 전자소자를 원하는 곳에 자유롭게 붙였다 떼었다 할 수 있도록 스티커에 인쇄하는 기술의 개발에 성공했다.

이번 연구결과는 미래창조과학부 및 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(핵심) 및 광주과기원 특화연구(국제협력)의 지원을 받아 이뤄졌으며, 재료과학 분야 권위지 ‘첨단기능성물질(Advanced Functional Materials, 인용지수 10.179)’지 3월 20일자 표지논문으로 게재됐다.

A4 종이보다 10배 얇은 초박막 기판은 너무 얇아서 그 위에 직접 소자를 제작하기는 어렵다. 대신 초박막 기판을 지지해주는 보조기판에 소자를 제작하고 스티커 등으로 옮겨 찍어 원하는 곳에 붙일 수 있도록 이른바 전사인쇄방식을 통해 간접적으로 소자를 제작하게 된다.

이 때 소자제작 과정에서는 초박막 기판과 보조기판 사이에 높은 접착력이 요구되는 반면 뒤이은 전사과정에서는 낮은 접착력이 필요해 보조기판과의 접착력 조절여부가 관건이었다. 하지만 일반 보조기판을 이용해 접착력을 조절하려는 기존 연구는 전사인쇄 과정에서 접착력을 잃어버려 소자의 정렬도를 유지하기 힘든 한계를 가지고 있었다.

연구팀은 초박막 고분자(SU-8) 기판 위에 산화아연(ZnO) 박막트랜지스터를 제작하고 이를 플라스틱이나 종이, 스티커, 볼펜 등에 100% 전사인쇄해 소자의 성공적인 작동을 확인했다.

핵심은 초박막 고분자 기판위에 물에 녹는 희생층(Water Soluble Sacrificial Layer)을 도입해 보조기판과의 접착력 조절에 성공한 것이다.

연구팀은 ‘비가 온 후 하수구에 흙이나 낙엽들이 몰리는 현상’에 착안해 요철 구조를 갖는 기판 위에 고분자 희생층을 코팅해 소자 제작 시에는 강한 접착력으로 초박막 기판을 붙잡아 주는 한편, 전사인쇄 시에는 희생층이 물에 녹아 대부분이 없어지고 건조과정에서 잔여물이 요철 구조 주위에 몰려서 접착력이 적당히 떨어지도록 해 소자 제작과 뒤이은 인쇄공정 두 가지의 안정성을 모두 높였다. 그 결과 48개의 산화아연 박막 트랜지스터 소자들을 그 형태를 그대로 유지하면서 종이, 플라스틱, 스티커에 완벽히 전사인쇄시킬 수 있었다.

특히 이 기술은 기판의 뛰어난 유연성으로 인해 롤에 기판을 감았다 풀 수 있어 차세대 디스플레이 프린팅 기술인 롤투롤 공정에도 적용할 수 있어 대면적 전자소자 개발에도 응용할 수 있을 것으로 기대된다. 실제 연구팀은 PDMS(Polydimethylsiloxane, 폴리다이메틸실록세인)를 이용해 최대 가로 3.5cm, 세로 2.5cm 크기에 이르기까지 다양한 모양과 크기의 기판들도 전사인쇄 가능함을 확인했다.

고흥조 교수는 “이 연구는 직접적으로 공정할 수 없는 곳에서도 심미성을 유지하면서 전자소자 기능을 부여할 수 있어 스티커형 디스플레이, 태양전지, 배터리, 의료 및 환경 모니터링 센서 등에 적용할 수 있다”고 연구의의를 밝혔다.