기술과 솔루션
기계연, 대면적 2차원 나노소재 롤 기반 무 손상 전사기술 개발
작성자 : 취재부
2021-06-14 |
조회 : 968
- 투명 디스플레이와 투명 반도체, 대면적으로 싸고 빠르게!
- 원자층 두께의 2차원 나노소재를 웨이퍼 사이즈로 찍어낸다
과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연)이 원자층 두께의 2차원 나노소재를 웨이퍼 사이즈로 손상 없이 전사할 수 있는 ‘대면적 2차원 나노소재 무 손상 롤 전사기술’을 개발했다. 투명 디스플레이와 투명 반도체, 자율주행 자동차를 위한 디스플레이까지 다양한 분야에 활용될 수 있는 나노소재 전사 공정을 획기적으로 개선하여 기술 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.
기계연 나노역학장비연구실 김광섭 책임연구원은 두께가 머리카락 5만분의 1 수준인 1㎚ 이하의 2차원 나노소재를 4인치 이상의 웨이퍼 기판에 손상 없이 전사할 수 있는 기술을 개발했다.
롤 기반 전사 공정은 전사 필름 표면에 위치한 나노소재를 원하는 기판 위에 옮기는 공정이다. 롤러를 이용하여 인쇄물을 찍어내듯이 나노소재를 대면적 연속공정으로 옮길 수 있는 고효율 제조기술이다.
전사 공정은 옮겨야 할 나노소재가 붙어있는 전사 필름(A)과 나노소재가 옮겨지는 대상 기판(B)으로 구분된다. 롤 전사는 A를 B 위에 롤러 굴리듯 굴리며, A 위에 있던 소재가 B 위로 옮겨진다. 타투 스티커를 이용해 타투를 피부에 부착시키는 과정과 비슷하다. 타투 무늬가 붙어있는 스티커를 전사 필름, 타투 무늬를 2차원 나노소재 및 마이크로 소자, 피부를 대상 기판에 비유할 수 있다.
이번 기술의 핵심은 2차원 나노소재를 전사할 때 얇은 나노소재를 떼어내면서 찢어지거나 기판에 붙이면서 생기는 깨짐 등 불안정성을 제거하는데 성공한 것이다.
연구팀은 전사 필름의 점착층 두께를 최적화하여 박리 면의 불안정성을 제거했다. 필름에서 타투 스티커를 떼서 피부에 붙일 때 아주 얇고 섬세한 스티커 모양도 훼손되지 않고 그대로 옮길 수 있는 원리를 찾아낸 것이다.
대면적 2차원 나노소재 롤 기반 전사 공정으로 제작한 웨이퍼
또한, 연구팀은 전사 필름에서 점착층 두께에 따라 두 가지 서로 다른 손상이 일어나는 것을 관찰했다. 이를 바탕으로 전산 시뮬레이션과 실험을 통해 점착층 변형으로 인한 2차원 나노소재의 손상 메커니즘을 밝히고 점착층 두께를 최적화했다.
한국기계연구원 나노역학장비연구실 김광섭 책임연구원 연구팀은 롤 전사 공정 시 2차원 나노소재의 손상이 발생하는 메커니즘을 밝혀냈다. 전사 필름의 점착층 두께가 너무 얇으면 2차원 나노소재가 점착층에서 불안정하게 박리되어 소재에 손상이 발생하며, 점착층 두께가 너무 두꺼우면 전사 공정 시 가해지는 접촉압력에 의해 과도한 변형이 발생하여 소재에 손상이 발생한다.
한국기계연구원 나노역학장비연구실 연구팀은 롤 전사 필름의 점착층 두께를 최적 설계하여 2차원 나노소재(단층 그래핀)의 롤 기반 전사 공정에 적용하고, 2차원 나노소재를 손상 없이 원하는 기판에 전사하는 데 성공했다.
이번 연구성과를 활용하면 2차원 나노소재의 롤 전사 공정에서 발생하는 나노소재 손상을 기존의 약 30%에서 1%까지 줄일 수 있을 것으로 기대된다.
기계연 김광섭 책임연구원은 “이번 연구성과는 2차원 나노소재 및 마이크로 디바이스 기반의 웨어러블 전자기기, 유연 투명 디스플레이, 고성능 바이오/에너지 센서의 제조단가를 획기적으로 낮출 수 있을 것”이라며, “차세대 반도체, 디스플레이, 미래차 산업 등 다양한 분야에서 2차원 나노소재 기반 유연 투명 전자기기를 활용한 새로운 산업 창출도 가능할 것으로 기대한다”고 말했다.
롤 기반 전사기술로 제작한 2차원 나노소재(단층 그래핀) 기반 투명전극의 면 저항 품질을 나타낸 그래프. 면 저항값이 낮을수록 단층 그래핀 투명전극에 전기가 더 잘 통하며, 면 저항 품질이 균일할수록 대면적 투명전극을 만들 수 있다.
얇은 점착층으로 제작한 경우, 면 저항이 1130 Ohm/Sq.로 매우 높고, 면 저항 품질이 불균일했다. 두꺼운 점착층의 경우 면 저항이 563 Ohm/Sq.로 낮지만, 면 저항 품질이 불균일했다. 점착층 두께를 최적 설계한 전사 필름의 경우 면 저항값이 235 Ohm/Sq.로 매우 낮고 면 저항 품질도 균일했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원 기계연 기본사업 ‘자율주행차용 유연 투명 디스플레이 나노 기반 생산장비 핵심기술 개발’, 정부 과학기술정보통신부 지원 글로벌프론티어사업 ‘Micro-LED 기반 메타 디스플레이 기술개발’과제의 지원을 받아 수행되었다.
문의: 한국기계연구원 나노융합장비연구부
나노역학장비연구실 김광섭 책임연구원
042-868-7770 / kskim@kimm.re.kr
