▲ 전기장 보조 로봇 프린팅 공정을 통해 제작된 유기 반도체 나노선 트랜지스터.

휘어지는 디스플레이 등 차세대 전자제품의 핵심 부품으로 꼽히는 유연전자소자를 저비용으로 제조할 수 있는 길이 열렸다.

미래창조과학부(장관 최문기)는 포항공과대학교 신소재공학부 이태우 교수팀이 저비용으로 유연전자 소자 제작을 위한 나노선 성형, 정렬, 패터닝 등을 동시에 할 수 있는 초고속 나노선 프린팅 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

이 기술은 간결한 공법을 사용해 시간과 비용을 절감함으로써, 입는(wearable) 컴퓨터, 섬유(textile) 전자소자, 접히는(Flexible) 디스플레이 등의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대되고 있다.

연구팀은 이 기술로 유기 반도체 나노선 트랜지스터 및 인버터 전자회로를 구현해 향후 전자소자에 활용가능성도 제시했다.

나노선은 나노 미터 수준의 지름과 수 마이크로 미터 이상의 길이를 갖는 1차원 형태의 나노 재료로, 기존 재료에 비해서 뛰어난 전기적 특성과 유연성 등을 갖고 있어 차세대 전자 소자의 구현을 위한 재료로 각광받고 있다. 또한 나노선 제조기술은 세계를 변화시킬 10대 신기술의 하나로 평가되는 분야다.

하지만 트랜지스터나 메모리와 같은 전자소자로 만들기 위해 넓은 면적에서 나노선의 개별적인 제어가 어렵다는 점이 문제로 지적돼 왔다. 기존의 소자제작 방법은 나노 소재가 가지고 있는 우수한 특성을 잃거나 비용과 시간이 많이 소요되어 상용화에 한계가 있었다.

연구팀은 전기장을 이용하면 고분자 용액이 고무줄이 늘어나듯 가늘고 길게 떨어지면서 순간적으로 용매가 증발하며 기판 위에 나노선이 형성된다는 사실에 착안, 나노선을 인쇄해 제작함과 동시에 정렬과 패터닝까지 가능한 one-stop 공정을 고안했다.

개발된 기술은 잉크젯 프린팅 등 기존의 방법과는 크게 차별되는 것으로 트랜지스터, 전자 회로, 메모리나 화학감지용 센서 등에 활용되는 나노선을 전기장과 로봇공정을 이용해 1m/s의 빠른 속도로 인쇄할 수 있는 장점이 있다.

더불어 나노선을 이용해 수십에서 수백나노미터 크기의 대면적(large-area) 패터닝에 성공, 반도체 직접회로 패턴 묘사기술에 사용되던 고가의 ‘전자빔 리소그래피 공정’이 저비용의 ‘유기 나노 리소그래피 공정’으로 대체가능해졌다.

이태우 교수는 “초고속 나노선 프린팅 원천기술을 확보함으로써, 인쇄 전자소자뿐만 아니라 2020년 50조원 규모로 성장할 것으로 예측되는 ‘입는(Wearable) 컴퓨터, 섬유 전자소자, 플렉시블 디스플레이(Flexible Electronics) 등’ 유연 전자소자 시장에서 우리나라가 선도적 지위를 확보할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프론티어 사업 “나노기반 소프트일렉트로닉스연구단(단장 조길원)”의 지원으로 수행됐으며, 재료과학분야의 세계적 학술지인 ‘Nature Communications’ 최신호(4월 30일자)에 게재됐다.