▲ 김재현 박사(사진 左)가 롤 스탬프 장비를 다루고 있다..

동영상 구동이나 고속 데이터 처리가 가능한 고성능 유연 전자소자를 연속적으로 생산할 수 있는 기술이 세계 최초로 개발됐다.

한국기계연구원(원장 최태인)은 26일 나노역학연구실 김재현 박사팀이 ‘고성능의 유연전자소자를 양산하는 기술’ 개발에 성공했다고 밝혔다.

개발된 기술은 롤 스탬프와 박막과 롤러 사이의 하중 제어 기술을 이용, 무기물 반도체 소자를 빠른 속도로 대면적 유연기판에 전사함으로써, 유연 전자소자를 대량생산 할 수 있는 것이 핵심이다.

이 기술은 전하이동도가 기존 유기물 소자보다 10배∼100배 이상 빠른 무기물 반도체 소자를 이용한 것이 특징이다.

연구팀은 산화물 반도체 트랜지스터 소자를 신축성이 높은 고무기판 위에 성공적으로 전사함으로써 고성능 유연 트랜지스터를 구현했다. 두께가 800nm 수준인 이 박막 트랜지스터 소자는 5%의 변형률과 100회 이상의 반복시험에도 트랜지스터의 전기적인 성능을 그대로 유지했으며, 전하이동도가 12 cm2/Vs 로 상용 유기물 반도체 (0.4 cm2/Vs) 보다 훨씬 우수한 것으로 나타났다.

기존의 유기물을 활용한 유연 전자소자는 전하이동도가 낮아 e-book이나 일회성 RFID 등 정지된 화면에만 구현 가능한 반면, 이 기술은 HD급 동영상 구동 및 고속 데이터 처리가 가능하다는 장점이 있다.

또한 연필 두께에 감을 수 있을 만큼 정교한 고성능 유연 디스플레이로 접거나 감을 수 있으면서도 효율이 20%이상인 고효율 유연 태양전지, 인체에 부착 가능한 고성능 유연 컴퓨터 등 차세대 유연 전자 제품을 대량 생산하는 데에 필수적인 공정 및 장비를 제공할 것으로 기대된다.

국내의 반도체와 디스플레이 생산 인프라를 그대로 활용해 고성능 유연 전자소자를 만들 수 있어 초기 투자비용을 획기적으로 절감한 점 또한 주목할 만하다.

기존의 반도체와 디스플레이 공정에서 생산된 무기물 기반 전자 소자들은 특성 및 신뢰성이 유기물 소재보다 우수하지만, 쉽게 부러져 유연성이 떨어진다는 단점이 있었다.

반면, 이번에 개발된 롤 스탬프 전사 기술을 이용하면, 무기물 기반 전자 소자들을 매우 얇은 박막 형태로 분리해 폴리머 기판 등의 유연 재료 위에 대면적으로 연속 전사할 수 있어 유연성을 크게 증가시킬 수 있다.

연구 책임자인 김재현 박사는 “현재 고성능 유연 전자 시장은 실리콘 반도체 및 디스플레이 산업에 이은 차세대 성장 동력 산업으로 주목받고 있으며, 2021년 442억불 규모로 성장해 현재의 메모리 반도체 세계 시장에 견줄 수 있는 큰 시장을 형성할 것으로 기대된다”고 말했다.