멀지 않은 미래에는 두루말이 모니터, 장갑이나 옷 겉면에 부착된 디스플레이, 접어서 보관하는 TV 등 플렉시블 전자제품이 상용화 될 것입니다. 

이를 실현 가능하게 하는 기술 중 하나가 유연한 기판에서 작동할 수 있는 소자를 개발하는 것인데요. 특히 인쇄형 전극의 경우 은나노입자가 우수한 전기적 기계적 성능을 갖고 있지만 생산 가격이 높다는 한계를 갖고 있습니다.  

이에 따라 은나노입자의 대안으로 구리나노입자 기반 기술이 제시돼 왔는데요.

하지만, 구리나노입자는 표면 산화막 형성에 따른 제어의 어려움으로 인해 전도성이 떨어지고, 열처리 공정에 한계가 있어 상용화에 어려움을 겪었습니다.

가격경쟁, 성능경쟁 가능한 구리나노입자 개발

한국화학연구원(이하 화학연) 최영민 박사와 정선호 박사팀, 조예진 연구원(주 저자)은 가격경쟁력과 전기전도성이 높은 구리나노입자로 플렉시블 디스플레이, 스마트폰 등에 쓰이는 전자회로를 만들 수 있는 전극 제조기술을 개발했습니다.

이번 연구는 터치스크린, 전자파 차단 필름 등에 쓰이는 연성회로기판의 전자회로를 보다 저렴하고 효율성이 높은 구리나노입자 기반 인쇄형 전극으로 제조할 수 있어 미래 플렉시블 전자산업에 획기적인 역할을 할 것으로 기대됩니다.

연구팀이 개발한 핵심은 산화막이 표면에 형성되는 것을 막아주면서 나노입자를 합성할 수 있는 구리나노입자  합성기술과 1000분의 1초 단위의 광열처리 기술을 통해 공기 중에서 인쇄형 구리배선을 연속으로 제조할 수 있는 기술인데요. 

[그림 1] (a) PET, PES, PI 및 종이기판에 제작된 인쇄형 유연 구리배선의 사진; (b) PET, PES, PI 및 종이기판에 제작된 인쇄형 유연 구리배선의 반복벤딩 특성; (c) 연속공정을 통해 제작된 유연 구리박막의 사진[그림 1] (a) PET, PES, PI 및 종이기판에 제작된 인쇄형 유연 구리배선의 사진; (b) PET, PES, PI 및 종이기판에 제작된 인쇄형 유연 구리배선의 반복벤딩 특성; (c) 연속공정을 통해 제작된 유연 구리박막의 사진
(a) PET, PES, PI 및 종이기판에 제작된 인쇄형 유연 구리배선의 사진; (b) PET, PES, PI 및 종이기판에 제작된 인쇄형 유연 구리배선의 반복벤딩 특성; (c) 연속공정을 통해 제작된 유연 구리박막의 사진

구리나노입자 합성기술은 구리나노입자의 표면에 산화막이 형성되면 전기가 잘 흐르지 않기 때문에 전자배선에 쓰이는 구리나노입자의 표면 산화막을 방지하는 것으로, 연구팀은 구리나노입자의 산화막 형성을 방지하면서 나노입자를 합성할 수 있는 기술을 개발했습니다.

또 광열처리 기술은 기존의 열에너지를 이용하는 열처리 공정과 달리 순간적인 광 조사를 통해 나노입자기반 박막의 물리적 화학적 특성을 변화시키는 기술입니다.

이번 연구는 가격경쟁력이 우수한 구리나노입자 소재 활용의 한계점으로 작용했던 산화막 형성을 극복하고, 추가 공정 없이 공기 중에서 연속적으로 제조하는 기술을 제시해 미래 유연소자용 배선의 높은 전도성을 확보하면서도 저가로 간편하게 제조할 수 있어 파급효과가 클 것으로 전망됩니다.

또 이번 연구를 통해 제시된 공정기술은 생산성이 높은 롤투롤(roll-to-roll) 공정기술에 적용이 가능하고, 순간적인 광 조사를 통해 구리입자의 확산 움직임을 적층소자구조에서 효율적으로 제어, 우수한 성능의 소자를 제작할 수 있음을 규명했다는 평가를 받고 있습니다.

연구팀은 이번에 개발한 기술을 국내 전자소자 관련 기업 2곳으로 기술이전, 2~3년 내 상용화 될 전망이고요. 산업계 응용을 보다 확장하기 위해 추가 상용화 연구를 진행하고 있습니다.

아울러 연구팀은 구리 전자잉크를 바탕으로 섬유, 의류 등에 적용이 가능하도록 쉽게 늘어날 수 있는 회로를 3D 프린팅으로 인쇄하는 기술도 개발하고 있습니다.

향후, 구리나노입자 기반 유연 전도성 전극이 적용될 수 있는 플렉시블 전자소자 시장은 2018년까지 150억 달러(10조 6,000억 원)으로 성장할 것으로 기대되고 있습니다(출처: Conductive Ink Martket 2014-2024 (IDtechEx)).

이번 연구결과는 영국왕립화학회 나노스케일(Nanoscale)지 2015년 2월 21일 자 내부 표지논문으로 선정됐습니다. 
    ※ 영문 제명: Ambient Atmosphere-Processable, Printable Cu Electrodes for Flexible Device Applications: Structural Welding on a Millisecond Timescale of Surface Oxide-Free Cu Nanoparticles  


2015년 2월 Nanoscale 표지 (Inside back cover)


 용 어 설 명

표면 산화막 형성이 제어된 구리나노입자 
저온 소결 공정을 통해 금속나노입자 기반 전극을 형성함에 있어서 표면 산화막은 소결거동을 제약하는 동시에 전극의 전기적 특성을 제한함.
따라서, 쉽게 산화가 되는 구리나노입자의 경우 표면 산화막 형성이 제어된 구리나노입자를 합성하는 기술이 핵심적으로 필요함.  
 
광열처리
기존의 열에너지를 이용하는 열처리 공정과 달리 1/1000 초 단위의 순간적인 광조사를 통해 나노입자기반 박막의 물리적 화학적 특성을 변화시키는 기술

롤투롤
기판에 회로배선을 인쇄형으로 연속 제조할 수 있는 기술. 대면적 전도성 박막을 높은 생산성으로 제조할 수 있음. 

적층소자구조
디스플레이 등에 쓰이는 전자회로 기판에는 여러 층의 소자들이 겹겹이 쌓인 구조를 이루고 있으며, 원하는 성능을 나타내기 위해서는 이 층 사이에 원자가 확산하는 것을 효율적으로 제어하는 것이 필요함

 

구 개 요

1. 연구배경

미래 전자소자의 발전방향은 대면적 기판의 적용이 가능한 저가의 소재/공정기술을 바탕으로 유연기판상에 다양한 기능성을 가지는 소자를 제작하는 흐름임.

소자의 제작을 위해 필요한 다양한 적층화 공정에서 가장 필수적인 소재는 전극소재이며, 기존의 증착 및 광학전사법이 배제된 신규 소재 및 공정기술의 개발이 필수적임. 최근 금속나노입자 기반의 인쇄형 전극을 개발하는 연구가 활발히 진행되어왔지만, 특성 및 공정성이 우수한 은나노입자는 높은 생산가격으로 인해 한계점을 가지고 있음.

이에 대한 대안기술로서 제시되어온 구리나노입자 기반의 전극형성 기술은 구리나노입자 표면의 산화막 형성 거동 제어의 어려움으로 인해 높은 전도성을 확보하기가 어려우며, 높은 열처리 온도 및 분위기 제어등의 공정상의 제약점이 수반되는 한계점을 지니고 있음.

따라서, 구리나노입자 기반의 인쇄형 전극을 형성함에 있어서 기존 한계기술을 극복할 수 있는 새로운 개념의 소재 및 공정기술의 개발이 필수적임.

본 연구에서는 산화막 형성이 제어된 구리나노입자 합성기술과 광열처리 기술을 기반으로 일반대기 하에서 인쇄형 고전도성 초저가 구리배선의 연속식 제조를 가능케 하는 기술을 개발하였음.


2. 연구내용

본 연구에서는 캡핑 고분자의 화학적 거동을 제어함으로서 구리나노입자 표면의 산화막 형성을 억제하였으며, 순간적인 광조사를 이용하여 구리나노입자간의 소결 거동을 제어함으로서 유연소자 적용이 가능한 인쇄형 구리 전도성 배선을 만들 수 있음.

[그림 1] (a) PET, PES, PI 및 종이기판에 제작된 인쇄형 유연 구리배선의 사진; (b) PET, PES, PI 및 종이기판에 제작된 인쇄형 유연 구리배선의 반복벤딩 특성; (c) 연속공정을 통해 제작된 유연 구리박막의 사진[그림 1] (a) PET, PES, PI 및 종이기판에 제작된 인쇄형 유연 구리배선의 사진; (b) PET, PES, PI 및 종이기판에 제작된 인쇄형 유연 구리배선의 반복벤딩 특성; (c) 연속공정을 통해 제작된 유연 구리박막의 사진
[그림 1] (a) PET, PES, PI 및 종이기판에 제작된 인쇄형 유연 구리배선의 사진; (b) PET, PES, PI 및 종이기판에 제작된 인쇄형 유연 구리배선의 반복벤딩 특성; (c) 연속공정을 통해 제작된 유연 구리박막의 사진

그림 1에서 보듯이, 저온 소결공정시 일반 대기하에서 쉽게 산화가 되는 구리나노입자 기반의 패턴임에도 불구하고, 종이, PET, PES 및 PI 기판을 포함하는 다양한 기판상에서 우수한 전도성 패턴이 공기중에서 용이하게 제작됨을 알 수 있음.

특히, 고내열성이 부족한 PET 및 종이 기판상에서도 소재 및 공정 적합성이 우수함을 확인할 수 있음.

제작된 유연기판상 구리나노입자 기반 배선의 반복 벤딩특성을 평가한 결과, 10000회 동안의 반복벤딩후에도 비저항의 변화가 거의 없는 것을 알 수 있음.

또한, 이러한 유연특성이 우수한 고전도성 인쇄형 구리 배선의 대면적 적용 가능성을 평가함. 일반적인 열에너지를 이용한 열처리와 달리 광열처리의 경우 짧은 광열처리 구간으로 기판이 연속적으로 이송될 수 있으며, 이를 통해 높은 생산성을 가지는 대면적 전도성 박막을 제조할 수 있음을 보였음.


[그림 2] (a) PET, PES, PI 및 종이기판에 제작된 인쇄형 유연 구리배선 기반 capacitor의 사진; (b) PET, PES, PI 및 종이기판에 제작된 인쇄형 유연 구리배선 기반 capacitor의 반복벤딩 특성; (c) 인쇄형 유연 구리배선 기반 박막 트랜지스터의 모식도 및 전기적 특성

이렇게 제조된 유연 구리 전도성 패턴의 유연소자로의 적용성을 평가하기 위해 capacitor 및 In-Ga-Zn-O 박막 트랜지스터를 제작하였음(그림 2).

PI, PES 및 PET 기판 상에서 제작된 capacitor의 경우 10000회의 반복 벤딩 테스트 후 축적전하 및 누설전류를 측정하였을 때 소자 성능의 변화가 없음을 확인함.

또한, 구리 전도성 배선을 소스/드레인 전극으로 이용하여 박막 트랜지스터를 제작할 경우, 기존 급속열처리 (rapid thermal annealing)의 경우 산화물 반도체 내부로의 구리의 확산을 제어하기가 어려운 반면, 급속 광열처리의 경우 순간적인 광조사공정으로 인해 구리의 확산을 제어하여 우수한 성능의 소자를 제작할 수 있음을 규명하였음.

새로운 개념의 소재 및 공정기술은 그 연구의 가치를 인정받아  Nanoscale 최신호 (2015년 2월 21일)의 내부 표지 논문으로 선정되었음. (그림 3) 


[그림 3] 2015년 2월 Nanoscale 표지 (Inside back cover)

이번 연구는 한국화학연구원이 미래성장동력을 발굴하고 고유연구 역량을 심화시킬 수 있도록 추진하고 있는 “Top-Down 임무형 주요사업”의 지원을 받아 수행되었음.

3. 기대효과

이번 연구는 기존의 구리나노입자 기반의 인쇄형 유연전극에 대한 공백기술을 극복할 수 있는 소재 및 공정기술을 새로이 제시한 내용임.

금속나노입자 기반 전도성 배선이 요구되는 기존의 다양한 응용분야로의 확장된 적용이 기대되며, 이를 통해 고성능과 가격경쟁력을 동시에 확보할 수 있는 응용제품의 개발 및 시장의 개척이 기대됨.

또한, 평면기판상의 2차원 인쇄가 아닌 현재 많은 관심을 받고있는 3차원 프린팅 공정을 통한 다양한 구조의 소자 제작을 위한 기반기술로 적용될 수 있을것으로 기대함. 

 

최영민 박사

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 한국화학연구원 그린화학소재연구본부
 ○ e-mail : youngmin@krict.re.kr

2. 학력
 ○ 1985 - 1989 연세대학교 세라믹공학과 학사
 ○ 1989 - 1991 연세대학교 세라믹공학과 석사
 ○ 1999 - 2003 KAIST 재료공학과 박사   
 
3. 경력사항
 ○ 1991 - 2005     한국화학연구원, 선임연구원
 ○ 2007 - 2011     한국화학연구원, 연구정책실장
 ○ 2008 - 현재     과학기술연합대학원, 교수
 ○ 2005 - 현재     한국화학연구원, 책임연구원

4. 전문 분야 정보
 ○ 용액공정용 나노소재 합성 및 소자응용, 웨어러블 소자용 화학소재

정선호 박사

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 한국화학연구원 그린화학소재연구본부
 ○ e-mail : sjeong@krict.re.kr

2. 학력
 ○ 1998 - 2002 연세대학교 신소재공학부 학사
 ○ 2002 - 2007 연세대학교 신소재공학부 박사  
 
3. 경력사항
 ○ 2007 - 2008     연세대학교 신소재공학부, 박사 후 연구원
 ○ 2008 – 2009     Northwestern University, 박사 후 연구원
 ○ 2009 - 2014     한국화학연구원, 선임연구원
 ○ 2014 - 현재     한국화학연구원, 책임연구원

4. 전문 분야 정보
 ○ 프린터블 기능성 무기소재 합성, 에너지/전자 소자 제작

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posted by 이재형 과학이야기