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기초과학연구원(IBS)은 김대형 나노입자연구단 부연구단장(서울대 화학생물공학부 교수),메조 스타카토이상규 나노입자연구단 책임연구원 연구팀은 김지훈 부산대 교수팀과 공동으로 무손상 건식 전사 기술을 개발했다고 26일 밝혔다.
고성능 소자는 주로 고온에서도 안정적으로 작동하는 딱딱한 기판에서 제작된다.웨어러블 기기 같은 유연한 전자기기를 만들기 위해서는 딱딱한 기판 위의 소자를 기판에서 분리해 유연한 기판으로 옮기는 전사 공정이 필수다.
기존 전사 공정은 기판과 소자 사이에 존재하는 층을 화학물질을 이용해 제거하는 방식이었다.이 방식은 강력하고 유독한 화학물질을 사용하기 때문에 작업자에게 해롭고 환경오염을 일으키는 문제가 있었다.또 레이저나 열을 이용하는 방법 등이 개발됐지만 여전히 고가의 장비나 별도의 후처리가 필요하고 특정 환경에서만 적용 가능하다는 한계가 있었다.
IBS 연구진은 기판 자체의 물성을 제어해 습식 화학물질이나 소자 손상 없이 소자를 손쉽게 떼어낼 수 있는‘무손상 건식 전사’방법을 개발했다.
우선 연구진은 서로 다른 응력을 가진 박막을 두 층으로 쌓아 올린 기판을 제작했다.응력이란 외력을 가할 때 변형된 물체 내부에서 발생하는 힘을 말한다.그 후 기판을 구부려 '변형 에너지 방출률'을 최대화했다.
변형 에너지 방출률은 박리 과정에서 균열이 커지는 동안 단위 면적당 방출되는 에너지의 양이다.변형 에너지 방출률이 소자와 기판 사에 있는 경계면의 강도를 초과하면 박리가 쉽게 일어난다.
이렇게 제작한 기판 위에 소자를 제작한 뒤 도장을 찍고 기판을 구부리며 도장을 들어 올리면 소자가 기판으로부터 간단히 분리된다.떼어낸 소자를 원하는 기판에 옮기면 전사가 완료된다.이번 결과를 활용하면 전사에 필요한 시간과 비용을 대폭 줄일 수 있어 고성능 전자기기 제작에 널리 응용될 것으로 기대된다.
공동 제1저자인 신윤수 IBS 선임연구원은 “우리 연구진이 제시한 전사 방법은 독성 물질을 사용하지 않으며 소자 손상이 적고 후처리도 필요 없어 전사 시간이 짧다는 장점이 있다”면서 “커다란 면적은 물론 마이크로 규모의 작은 패턴까지 전사가 가능해 활용 가능성이 크다”고 설명했다.
공동교신저자인 이 연구원은 “기존 연구와 달리 재료의 물성만을 제어해 무손상 건식 전사 프린팅 기술을 개발했다는 것이 이번 연구의 핵심”이라며 “2차원 박막을 3차원 구조체로 변형시킬 수 있는 특징을 활용해 입체 구조를 갖는 다양한 소자 제조에 관한 후속 연구를 진행할 계획”이라고 말했다.
연구를 이끈 김 부연구단장은 “전사 기술은 연성 전자,메조 스타카토광전자,메조 스타카토바이오 전자 및 에너지 소자를 포함한 많은 분야에 적용된다”며 “무손상 건식 전사 기술은 새로운 고성능 전자 소자 제작에 큰 도움이 될 것으로 기대한다”라고 말했다.연구 결과는 21일 국제학술지‘네이처 머터리얼스’온라인판에 실렸다.
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