우리얘기

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
(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

새로운 개념의 저온 디지털 나노물질 패터닝 공정기술이 개발되어, 나노물질의 선택적인 합성과 패터닝 공정의 획기적인 단축으로 나노소자 상용화에 한걸음 다가서게 되었습니다.

■ KAIST 고승환 교수팀은 한 번의 공정으로 원하는 위치에 나노물질을 직접 성장시키는 새로운 저온 디지털 공정기술을 개발했습니다.

고 교수팀은 잉크젯 공정을 이용하여 종이에 프린트하듯이 나노물질의 씨앗층(seed layer) 패턴을 기판위에 만들고, 100℃ 이하의 저온 용액환경에서 나노와이어를 성장시키는 선택적인 저온 성장법을 개발했습니다.

이 방법을 이용하면 복잡한 후속 공정 없이도 넓은 면적의 플라스틱 기판에 한 번의 공정으로 나노물질 합성과 패터닝을 동시에 수행할 수 있는 신개념 공정을 실시할 수 있습니다.

디지털 나노물질 직접 합성 및 패터닝 공정을 이용하여 구현된 나노와이어 패터닝의 SEM 이미지

플라스틱 기판위에 구현된 나노물질 마이크로 패터닝 구조체

고 교수팀이 개발한 디지털 나노물질 직접 패터닝 기술을 이용하면 나노소자 개발기간을 단축할 수 있을 뿐만 아니라 롤투롤(roll-to-roll) 공정으로 쉽게 확장할 수 있는 장점이 있습니다.

원하는 위치에 직접 나노물질을 합성하고 패터닝하는 디지털 나노물질 직접 패터닝기술은 공정의 유연성이 매우 커서 기존에 나노소자 개발에 필요한 공정시간을 1/10 이하로 대폭 단축할 수 있습니다.

또한 이 기술은 저온공정이기 때문에 플라스틱과 같은 저렴하면서도 유연한 기판에 구현할 수 있고, 차세대 대량생산공정으로 주목 받고 있는 롤투롤 공정에도 적용할 수 있어, 나노소자의 대량생산과 상용화에 가능성을 연 획기적인 기술로 평가받고 있습니다.

이번 연구에는 KAIST 고승환 교수와 여준협, 홍석준 박사과정생, 그리고 그리고로폴로스 UC Berkeley대 교수와 호츠 미 Duke대 교수가 참여했습니다.

이번 연구결과는 물리화학분야의 권위 있는 학술지인 '랭뮤어(Langmuir)'지에 3월 14일자 표지논문으로 게재되었습니다. 
(논문명 : Digital Selective Growth of ZnO Nanowire Arrays from Inkjet-Printed Nanoparticle Seeds on a Flexible Substrate)

고승환 카이스트 교수(왼쪽), 여준엽 연구원(두 번째) 및 홍석준 연구원(세 번째)이 나노구조체의 상태를 점검하고 있다.

 용  어  설  명

패터닝(patterning) :
되풀이되는 모양이나 원하는 형태를 본뜨는 작업

씨앗층 (seed layer) :
나노와이어를 성장시키기 위해서는 나노물질 촉매가 필요하며 보통 금속이나 산화금속의 나노입자를 촉매로 이용한다.
나노와이어는 나노입자로부터 길이방향으로 방향성의 가지며 성장하게 되며 기판에 씨앗층이 없는 부분에서는 나노와이어가 자라지 않게 된다.

열수화학반응 (hydrothermal reaction) :
나노물질을 만드는 화학적 반응방법의 하나로 타깃물질이 이온상태로 물에 용해되어 있는 전구체 용액을 가열하여 특정 온도조건이 되면 나노물질들이 성장하기 시작하는 나노물질 구조체 합성방법.

랭뮤어(Langmuir)지 :
미국화학회가 출판하는 표면, 계면, 재료화학분야의 권위 있는 학술지로, 2010년 인용지수가 4.269이다.

<고승환 교수> 1. 인적사항                            ○ 성 명 : 고승환(38세)                               ○ 소 속 : 카이스트 기계항공공학부 2. 학력사항   1993.3 - 2000.2  연세대학교 기계공학과 학사      2000.3 - 2002.2 서울대학교 기계항공공학부 석사     2002.9 - 2006.12 UC Berkeley 기계공학과 박사       3. 경력사항    2006.12 - 2009.4   UC Berkeley 박사후연구원   2008.8 - 2009.5    Laurence Berkeley National Lab 연구원   2009.5 - 2011.8    카이스트 기계항공공학부 조교수   2011.9 ? 현재    카이스트 기계항공공학부 부교수 4. 주요성과  1. S.H. Ko, D. Lee, N. Hotz, J. Yeo, S. Hong, K.H. Nam, C.P. Grigoropoulos, "Digital selective growth of ZnO nanowire arrays from inkjet printed nanoparticle seed on a flexible substrate", Langmuir, 28,4787-4792, 2012. 2. Y. Son, J. Yeo, H. Moon, T.W. Lim, K.H. Nam, C.P. Grigoropoulos, S. Yoo, D.-Y. Yang and S.H. Ko, "Nanoscale Electronics: Digital Fabrication by Direct Femtosecond Laser Processing of Metal Nanoparticles", Advanced Materials, 23, 3176-3181, 2011. 3. S.H. Ko, D. Lee, H.W. Kang, K.H. Nam, J.Y. Yeo, S.J. Hong, C.P. Grigoropoulos, H.J. Sung, "Nanoforest of Hydrothermally Grown Hierarchical ZnO Nanowires for a High Efficiency Dye-sensitized Solar Cell", Nano Letters, 11(2), 666-671, 2011. 4. I. Park, S.H. Ko, H. Pan, C.P. Grigoropoulos, A.P. Pisano, J.M.J. Frechet, E. Lee, and J. Jeong, "Nanoscale Patterning and Electronics on Flexible Substrate by Direct Nanoimprinting of Metallic Nanoparticles", Advanced Materials 20, 489-496, 2008. 5. S.H. Ko, I. Park, H. Pan, C.P. Grigoropoulos, A.P. Pisano, C.K. Luscombe, and J.M.J. Frechet, "Direct Nanoimprinting of Metal Nanoparticles for Nanoscale Electronics Fabrication", Nano Letters 7(7), 1869-1877, 2007

일반적으로 집적도가 높은 전자소자 제작을 위해서는 고비용의 노광 혹은 광식각 공정이나 고진공 전자빔 공정을 통한 금속 패턴의 제작이 필수적입니다.

최근에는 잉크젯 및 롤투롤(Roll to Roll) 프린팅 기술을 이용해 직접 금속 패턴 제작이 시도되기도 합니다.
그러나 공정 특성상 1㎛(100만 분의 1미터) 이하의 정밀도 달성에는 한계가 있어 고집적·소형화는 여전히 불리했습니다.

KAIST는 기계공학과 고승환·양동열 교수팀이 플렉시블 디스플레이 전자소자 제작을 위한 차세대 금속 나노패터닝 기술개발에 최근 성공했습니다.

연구팀은 펨토초 레이저 소결공정을 이용해 수백나노의 고정밀도 금속 패턴을 단일 공정으로 제작하는 기술을 개발했는데요.

이 기술을 이용하면 다양한 기판에서 고정밀 패터닝이 가능하기 때문에 이를 유기 전자소자 기술 등과 결합하게 되면 성능과 집적도가 우수하면서도 자유자재로 휘어질 수 있는 고성능 플렉시블 전자소자나 디스플레이 등이 실현될 수 있을 전망입니다.

연구팀은 3~6nm(10억분의 1미터) 크기의 녹는점이 낮은 은 나노 입자와 열확산을 최소화할 수 있는 금속 나노입자의 펨토초 레이저 소결공정(Femtosecond laser selective nanoparticle sintering, FLSNS)을 개발했습니다.

더불어 유리, 웨이퍼, 고분자 필름 등 다양한 기판위에 1㎛이하의 고정밀도 금속 패턴을 단일 공정으로 제작할 수 있는 기술도 개발했고, 이 기술을 이용해 최소 정밀도 380nm 선폭의 극미세 금속패턴 제작에도 성공했습니다.

선택적 금속 나노입자 펨토초 레이저 소결 공정

극미세 금속 패턴

연구팀은 개발된 금속 패터닝 기술을 KAIST 전기 및 전자공학과 유승협 교수팀과의 협력을 통해 유기 전계효과 트랜지스터 제작공정에 적용하면서 차세대 플렉시블 전자소자 제작에 활용될 수 있는 가능성을 제시했습니다.

고승환 교수는 고가의 진공 전자빔 공정을 통해서만 제작 가능했던 기존의 디지털 직접 나노패터닝 기술을 비진공, 저온 환경에서 구현함으로써 전자빔 공정을 대체할 수 있을 뿐만 아니라 향후 다양한 플렉시블 전자소자 제작에 적용될 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

이번 연구결과는 재료과학기술 분야의 세계적 권위의  학술지인 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)' 7월호에 게재됐습니다.

고승환 교수

양동열 교수

플렉시블 필름에 제조된 미세 은 금속배선

플렉시블 디스플레이 제조에는 필름 사이에 10μm 이하의 미세한 금속배선을 형성하는 것이 핵심기술 중 하나입니다.

KAIST 기계공학과 양민양 교수팀은 대기 중에서 고품질 고전도성을 갖는 미세 금속배선을 플렉시블 디스플레이용 필름에 저렴하게 제조하는 기술을 개발하는 데 성공했습니다.

양민양 교수

KAIST 연구팀은 이러한 문제를 광촉매 자가 생성을 이용한 광열화학 반응과 새로운 패턴전사 방식으로 해결했습니다.

연구팀은 고가의 금속 나노입자 잉크를 대신해 금속원자가 녹아있는 유기물로부터 2~3nm의 극미세 은 나노입자 광촉매를 자가 생성 시킨 후 레이저를 사용한 광화학반응을 유도함으로써 유연한 금속배선을 제조했습니다.

또한 레이저를 이용해 고체상태의 패턴을 고분자 필름에 전사하는 방법인 레이저유도 패턴접착전사법(Laser Induced Pattern Adhesive Transfer, LIPAT)을 개발해 PET(폴리에스터)와 같이 열에 약한 유연한 필름에도 적용할 수 있도록 했습니다.

이 방법으로 10μm이하의 미세한 은 금속배선을 비저항 3.6μΩ·cm의 높은 전도도로 PET, PI, PEN등 다양한 재질의 고분자 필름에 성공적으로 형성했으며 높은 신뢰성도 검증했습니다.

강봉철 박사과정

레이저유도 패턴접착전사법(Laser Induced Pattern Adhesive Transfer, LIPAT)공정

        (a) 광촉매 자가생성을 통한 금속배선 형성
        (b) 레이저를 이용한 광학적 접착 패턴 전사 
        (c) 저내열성 플렉시블 기판에 형성된 고전도성 미세 금속배선

용 어 설 명 노광 : 기판 재료에 감광액을 바르고 패턴이 있는 필름에 자외선을 조사하면 패턴부분 만 감광액이 경화되어 세척 후 패턴 부분 만 남게 되는 패턴 제조 방법.   진공증착 : 금속이나 비금속의 물질을 진공 속에서 가열해 그 기체 입자를 물체 표면에 매우 얇은 두께로 코팅시키는 방법.   광촉매 : 광 흡수율을 향상시키기 위한 고상의 광흡수체   비저항 : 단위 부피당 전기저항을 나타내는 전도성 측정 지표로서 이 값이 낮을 수록 저항이 적음을 의미함. 단위는 μΩ·cm 광열화학 반응 : 유기금속 화학물에 광에너지를 주사해 화학반응을 일으켜 순간적으로 금속나노입자로 변환하고 동시에 광에너지 흡수에 의한 열에너지 증가로 나노입자를 응집시키는 반응. 패턴전사 방식 : 재료의 코팅/열처리가 용이한 기판에서 원하는 형상의 패턴만 선택적으로 플렉시블기판으로 패턴을 전사하는 방식. 레이저유도 패턴접착전사법 (LIPAT)은 레이저를 이용하여 유연기판과 전극 사이의 접착력을 순간적으로 증가시켜 고전도성 미세 패턴을 내열성이 낮은 유연기판으로 전사하는 방법.