웨어러블 전자소자 제작 가능한
전극 정렬 프린팅 기술

국내연구진이 휴대용 웨어러블(wearable) 전자소자 제작을 위한
초고속 금속 나노선(Metal Nanofiber) 전극 정렬 프린팅 기술 개발에 성공했다.
이 기술은 매우 빠르고 저비용의 나노와이어 프린팅 기술을 이용하며,
제작된 금속 나노선은 눈에 보이지 않는 나노미터 선폭을 가지기 때문에 초소형,
고집적의 휴대용 전자소자와 투명 디스플레이 분야의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.
취재 | 오석균 기자(printingtrend@gmail.com)

포항공과대학교 신소재공학부 이태우 교수가 주도하고 박사과정 이영준 학생이 제1저자로 참여한 본 연구는, 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프런티어 사업 ‘나노기반 소프트일렉트로닉스 연구단(조길원 단장)’의 지원으로 수행됐다. 재료과학분야의 세계적 권위의 학술지인 ‘Advanced Materials’紙 인사이드 커버 논문으로 10월 29일(토)에 온라인 게재됐고, 일반인에게도 초록이 공개되는 Advances in Advances에 선정됐다(논문명: Individually Position-Addressable Metal Nanofiber Electrodes for Large-area Electronics, http://dx.doi.org/10.1002/adma.201403559). 기존의 나노크기 선폭의 전극을 제작하는 대표적인 방법인 포토리소그라피(photolithography)와 전자빔리소그라피(electron beam lithography) 기술은 공정이 복잡하고 공정단가가 매우 높다는 단점이 있었다. 그 외에도 용액 기반의 여러 가지 전극 프린팅 기술들이 소개되어 왔지만 트랜지스터나 메모리와 같은 고집적 전자소자에 적용하기 위해서는 나노크기 선폭의 전극을 빠르고 저비용으로 구현하는 것이 필요하기 때문에 산업적인 측면에서 한계를 가지고 있었다.

본 연구에서는 연구팀이 보유한 기술인, 전기장을 이용해 나노선을 기판 위에 직접 정렬시키는 기술인 E-nanowire printing을 금속 나노선 제작에 활용했다.이 기술을 이용해서 대면적으로 정렬된 금속 나노선을 빠르고 저비용으로 형성함으로서, 기존의 복잡하고 고비용의 공정들을 대체하는 새로운 기술을 제시했다.
연구팀은 이 기술을 이용하여 눈에 보이지 않는 수백나노미터 선폭의 폭을 가지고, 일반 금속과 비슷한 우수한 전기적 특성을 나타내는 정렬된 구리 나노선 전극을 대면적으로 균일하게 프린팅했다. 더 나아가 이를 유기 트랜지스터의 소스/드레인 전극으로 이용하여 소자를 제작하는데도 성공, 향후 전자소자 전극으로의 적용 가능성을 입증하기도 했다.

또한 트랜지스터, 메모리, 디스플레이, 태양전지, 터치스크린패널, 전자회로 등 다양한 투명 전자소자와 고집적 회로에 활용될 수 있는 정렬된 금속 나노선 전극 대면적 프린팅 기술이 국내 연구팀에 의해 개발되었다는 것이, 다양한 광전자소자 및 인쇄 나노전자 분야에서 전 세계적인 경쟁력을 확보하고 있는 국내기술과 결합하여 앞으로 우리나라가 소프트 일렉트로닉스 분야에서 더욱 발전하는데 중요한 역할을 맡을 것으로 기대된다.

연구배경
정보화 사회에서 최첨단의 전자기기들이 점차 소형화되는 추세이며, 나아가 입는 형태의 웨어러블 (wearable) 전자기기들이 등장하고 있다. 이러한 고성능, 고집적의 전자소자들을 제조하기 위해서는 초소형 트랜지스터를 구현하는 것이 중요하며, 높은 전도도와 작은 배선폭을 가지는 나노 전극 배선 형성 기술이 필수적이다. 나노미터 크기의 미세한 폭을 가지는 금속 전극을 형성하기 위해서 현재 산업적으로는 포토리소그라피(photolithography)와 전자빔 리소그라피(electron beam lithography) 등 진공 증착 기반의 식각 기술들이 이용되고 있다.

하지만 이와 같은 공정들은 장비 자체가 매우 고가일 뿐만 아니라 공정이 복잡하고 장시간이 소요되는 단점이 있다. 비효율적인 진공 증착 및 식각 공정 이외에 용액을 이용하는 잉크젯 프린팅, 오프셋 프린팅, 스크린 프린팅, 전기방사 등의 여러 가지 전극 프린팅 기술들이 있지만, 아직 대면적으로 균일하게 배열된 나노크기 전극 배선을 빠르고 저비용으로 형성하는 것에는 어려움이 있어서 상용화의 한계를 가지고 있었다.
이러한 기존 공정들의 한계점들로 인하여 나노크기 선폭의 미세한 전극 배선을 효율적으로 제작하는 것은 산업적 난관으로 남아있었으나, 연구진은 이러한 문제를 해결하기 위해서 연구팀이 보유한 기술인, E-nanowire printing (전기장을 이용해 나노선을 기판 위에 직접 정렬시키는 기술)을 금속 나노선 제작에 활용했다.

간단한 공정을 통해 구리 나노선을 기판의 원하는 위치에 매우 빠른 속도로 (50 cm/s) 직접 인쇄 (direct printing) 하여 제작했고, 제작된 구리 나노선은 눈에 보이지 않는 710 nm (나노미터) 선폭의 폭을 가지며(그림1), 일반 금속과 유사한 우수한 전기적 특성을 나타내었다(비저항 : 14.1 μΩ·cm). 이로써 기존의 복잡하고 높은 공정비용의 리소그래피 기술들과, 균일한 나노선폭 전극의 대면적 제작이 어려웠던 프린팅 기술들의 단점을 극복하는 새로운 기술을 제시했다. 더 나아가 이를 펜타센 전계 효과 트랜지스터의 소스/드레인 전극으로 이용하여, 약 0.16 cm2V-1s-1 의 정공 이동도와 7.5 ×106 의 on/off 전류 비 (current ratio)를 가지는 소자를 제작함으로서 전자소자 전극으로서의 적용 가능성을 입증했다(그림2). 또한 공정에서 소모되는 재료의 양이 매우 적기 때문에 산업적으로 공정비용의 측면에서 유리한 장점이 있다.

연구내용
본 연구에서는 전기장을 이용해 유기고분자/금속전구체 용액으로부터 유의열분해 과정을 통해서 금속 나노선으로 변환시키는 기술을 개발했다. 이 기술은 기존의 복잡하고 높은 공정비용의 리소그래피 기술들과 빠르고 저비용으로 나노선폭 전극의 대면적 제작이 어려웠던 프린팅 기술들의 단점을 극복할 수 있는 가능성을 제시했다.

금속 나노선 대면적 정렬 프린팅 기술을 요약하면 다음과 같다. 먼저 유기고분자/금속전구체 용액을 제조한 후 기판 위에 50 cm/s 의 아주 빠른 속도로 유기고분자/금속전구체 복합나노선을 원하는 위치에 정렬 프린팅한다. 프린팅의 원리는 용액을 주사기 (syringe) 에 주입하고 주사기와 연결된 노즐(nozzle) 에 300 V 이상의 고전압을 걸어주면 노즐과 접지된 기판 사이에서 정전기적 인력 (electrostatic force) 이 형성되어 용액이 선형으로 토출된다. 토출된 용액이 기판에 도달하는 과정에서 용액의 용매가 대부분 증발하기 때문에 기판 위에는 수백 나노미터 (nm) 선폭의 고체상태의 복합나노선이 형성된다. 일반적인 전기방사로 제작된 나노선은 기판위에서 무작위로 꼬여있는 형태인 반면, 본 연구에서는 노즐과 기판사이를 수 밀리미터 (mm) 정도로 가깝게 위치시켜 나노선의 꼬임현상을 억제하고 동시에 기판 스테이지를 원하는 방향으로 이동시킴으로서 복합나노선을 정렬시켰다. 이후 일련의 열처리 과정을 통해 고분자 성분을 제거하고 금속 전구체를 금속으로 환원시켜서 금속나노선을 형성하였다.

위와 같은 기술로 눈에 보이지 않는 수백나노미터 선폭의 폭을 가지고, 일반금속과 유사한 전기적 특성을 나타내는 구리 나노선 전극을 대면적으로 균일하게 정렬하였다(비저항 : 14.1 μΩ·cm). 더 나아가 이를 펜타센 전계 효과 트랜지스터의 소스/드레인 전극으로 이용하여, 약 0.16 cm2V-1s-1 의 정공 이동도와 7.5 × 106의 on/off 전류비(current ratio)를 가지는 소자를 제작하는데도 성공하여 향후 전자소자 전극으로의 적용 가능성을 입증하기도 했다.

본 연구기술은 공정비용이 매우 저렴하고 빠르며 간단하기 때문에 기존의 리소그래피 공정과 프린팅 공정들을 효과적으로 대체할 수 있을 것이라 판단된다.
또한 향후 금속 나노선 전극 배선을 이용한 대면적의 트랜지스터, 메모리, 디스플레이, 터치스크린패널, 전자회로 등 다양한 투명 전자소자와 고집적 회로에 많은 응용이 기대된다.

기대효과
기존의 미세선폭의 전극 배선을 제작하는 기술들이 해상도의 한계와 복잡한 공정, 높은 공정단가로 인하여 어려움을 겪었으나 이를 해결할 수 있어서 산업적으로 경쟁력을 확보할 수 있다. 또한 기존 디스플레이 및 전자 소자에 들어가는 금속 배선 공정에서의 불량을 나노미터 수준에서 제어하여 Repair하기 위한 배선 Repair 금속 배선 프린팅 기술로 활용될 수 있어 기존 산업의 수율을 높이는 기술로 3년 이내의 상업화의 가능성이 아주 높다.

눈에 보이지 않는 금속 나노선 전극의 우수한 전기적 특성을 바탕으로 각종 초소형, 고집적의 휴대용 웨어러블 전자소자나 투명 디스플레이를 구현하기 위한 원천 기술로 사용될 수 있을 것이다.

또한 트랜지스터, 메모리, 디스플레이, 터치스크린패널, 전자회로 등 다양한 투명 전자소자, 플렉서블 전자소자 및 고집적 회로에 활용될 수 있는 금속 나노선 대면적 정렬 프린팅 기술이 국내 연구팀에 의해 개발되었다는 것에 큰 의미가 있으며 또한 이러한 기술이 다양한 광전자소자 및 인쇄 나노전자 분야에서 전 세계적인 경쟁력을 확보하고 있는 국내기술과 결합하여 앞으로 우리나라가 소프트 일렉트로닉스 분야에서 더욱 발전하는데 중요한 역할을 맡을 것으로 기대된다.

<출처 월간PT>