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서울대학교 공과대학 연구진이 사람이 착용하거나 접어 사용할 수 있는 차세대 기능성 전자 소자 연구를 크게 진척시킬 기술을 개발했다.
재료공학부 김연후 박사, 김태훈 학생 및 장호원 교수는 ‘고분자 직접 경화 전사 방법’을 이용해 마이크로미터 크기의 그래핀 미세 패턴을 4인치 크기의 유연한 고분자 기판 위에 전사하는 기술을 개발했다고 1월 28일 밝혔다.
유연하고 접을 수 있으며 투명한 웨어러블 장치 같은 신기술에 대한 관심이 최근 증가하면서 기존 전자 장치의 주요 재료로 사용된 금속 및 금속 산화물의 불투명하고 깨지기 쉽다는 문제를 해결할 대체 물질로 그래핀이 각광받고 있다. 그래핀의 고유한 특성을 활용하기 위해서는 유연한 기판 위에 반도체 공정에 쓰이는 마이크로 패터닝 기술이 접목돼야 한다.
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 왼쪽부터 유연 기판에 전사된 그래핀 미세 패턴들, 그래핀 미세 패턴 기반 2x2 가스 센서 어레이, 논문 커버
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하지만 가장 대표적으로 사용되던 기존의 그래핀 전사 방법 poly(methyl methacrylate), 즉 PMMA를 이용하는 방법은 여러 단계의 습식 제조 공정에서 그래핀 미세 패턴이 견디지 못하고 쉽게 손상되며 전사 물질로 사용된 PMMA의 잔여물이 그래핀 표면에 남는 문제가 있었다.
장호원 교수팀은 이러한 문제점을 극복하기 위해 그래핀 미세 패턴 위에 최종 기판으로 사용될 고분자를 직접 경화하는 공정을 개발했다. 용액 상태의 고분자를 그래핀 패턴 위에 코팅 후 경화하면 고분자는 그래핀 미세 패턴을 유지하는 동시에 유연한 기판 역할을 한다. 이 방법을 이용하면 4인치 웨이퍼 면적의 유연한 폴리이미드 기판 위에 최소 선폭 5마이크로미터까지 매우 신뢰성 높게 그래핀 미세 패터닝이 가능했다.
기존 방식은 공정 중 오염된 그래핀이 최종 단계의 표면이 돼 잔류물이 그대로 남지만, 새로운 전사 방법은 공정 중 외부에 노출되지 않은 그래핀이 상하 반전돼 최종 단계에서 표면을 향하므로 잔여물 없이 깨끗하다는 추가적인 이점이 있다.
고분자 기판 위에 마이크로미터 크기로 미세 패터닝 된 그래핀은 인가전압 하에서 줄열(Joule heat) 반응에 의한 자가 발열 현상을 보인다. 연구에 공동 참여한 서울대 공대 재료공학부 이명규 교수 연구팀은 유한 요소 시뮬레이션을 통해 기판 재료와 그래핀 패턴 조건에 따른 그래핀 자가 발열 현상을 분석했다. 시뮬레이션 결과는 그래핀 패턴의 형상이나 기판 재료에 따라 발열 현상을 효율적으로 제어할 수 있음을 나타냈다.
연구팀이 개발한 고분자 직접 경화 전사 방법을 이용하면 유연하고 투명한 그래핀 기반 가스 센서 어레이를 제작할 수 있다. 그래핀 미세 패턴 기반 가스 센서는 자가 발열 현상을 통해 추가적인 열에너지 없이 자체 활성화가 가능하다. 이를 이용한 실험에서 서로 다른 귀금속으로 표면 장식된 단일 센서가 4종류로 이루어진 센서 어레이는 실온에서 여러 종류의 가스를 성공적으로 분류했다.
장호원 교수는 이번 성과에 대해 “그래핀뿐만 아니라 다양한 2차원 재료의 미세 패턴을 대면적의 투명하고 유연한 기판에 전사하는 간편하고 신뢰성 높은 방법이다. 이 기술은 2차원 소재를 기반으로 한 몸에 착용하거나 접을 수 있는 차세대 기능성 전자 소자 개발에 큰 기여를 할 것으로 기대한다”고 소감을 말했다.
연구 결과는 재료 분야의 세계적인 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’ 1월 14일 자 온라인에 게재됐으며 우수성을 인정받아 정식 게재 호의 표지 논문으로 출판될 예정이다.
해당 연구는 장호원 교수팀과 이명규 교수팀, 자연과학대학 화학부 홍병희 교수팀이 공동으로 수행했으며 한국연구재단의 중견연구 사업과 나노·소재 기술개발사업의 지원을 받았다.
국내 군사용 소자개발에도 큰 도움이 될 것으로 판단되며, 국내 AESA레이더 개발과 발전에도 큰 기여할 것으로 보인다.
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