무손상 건식 전사 기술로 고성능 전자 소자를 혁신하는 방법

전자기기 제작에서 소자를 손상 없이 기판에서 분리하는 전사 기술은 필수적입니다. 그러나 기존 방법들은 독성 물질 사용과 소자 손상 등의 문제를 안고 있었습니다. 이에 대한 해결책으로 개발된 무손상 건식 전사 기술은 소자 손상 없이 빠르게 전사할 수 있어 주목받고 있습니다.

목차

기존 전사 기술의 문제점

기존 전사 공정은 소자를 기판에서 분리하는 과정에서 강력하고 유독한 화학물질을 사용했습니다. 이는 작업자나 환경에 큰 위험을 초래하며, 소자 손상을 피하기도 어려웠습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 대안이 개발되었지만, 고가의 장비나 별도의 후처리 과정을 필요로 하며 특정 환경에서만 적용 가능하다는 한계를 지니고 있었습니다.

 

무손상 건식 전사 기술의 원리와 방법

무손상 건식 전사 기술은 기판 자체의 물성을 제어하여 소자를 손쉽게 떼어내는 방법입니다. 연구진은 서로 다른 응력을 가진 박막을 두 층으로 쌓아 올린 기판을 제작했습니다. 기판을 구부려 박막의 변형 에너지 방출률을 최대화하면, 변형 에너지 방출률이 소자와 기판 사이의 계면 강도를 초과하여 박리가 쉽게 일어납니다.

 

이렇게 제작된 기판 위에 소자를 제작한 후, 스탬프를 찍고 기판을 구부리며 스탬프를 들어 올리면 소자가 기판으로부터 간단히 분리됩니다. 이후 떼어낸 소자를 원하는 기판에 옮기면 전사가 완료됩니다.

 

기술의 주요 성과 및 장점

무손상 건식 전사 기술은 독성 물질을 사용하지 않으며, 소자 손상이 적고 후처리도 필요 없어 전사 시간이 짧다는 장점이 있습니다. 대면적은 물론 마이크로 규모의 작은 패턴까지 전사가 가능하여 활용 가능성이 큽니다. 연구진은 다양한 패턴의 2차원 박막을 3차원 구조체로 변형시킬 수 있음을 보여주었고, 이를 통해 다양한 구조로 만들 수 있습니다.

 

다양한 응용 가능성 및 사례

이 기술은 연성 전자, 광전자, 바이오 전자 및 에너지 소자를 포함한 많은 분야에 적용될 수 있습니다. 연구진은 2차원 박막을 3차원 구조체로 변형시킬 수 있는 특징을 활용하여 입체 구조를 갖는 다양한 소자 제조에 관한 후속 연구를 진행하고 있습니다. 이러한 기술은 고성능 전자기기 제작의 효율성을 높이고, 다양한 응용 분야에서 혁신을 가져올 것입니다.

 

논문 내용 요약

이번 연구는 기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단의 김대형 부연구단장과 이상규 책임연구원이 김지훈 부산대 교수팀과 공동으로 수행했습니다. 연구팀은 ‘무손상 건식 전사 방법’이라는 새로운 전사 기술을 개발하여 소자 손상과 독성 물질 사용 없이 기판에서 소자를 손쉽게 떼어낼 수 있는 방법을 제시했습니다.

 

이 연구 결과는 세계 최고 학술지인 ‘네이처 머터리얼스(Nature Materials, IF 41.2)’ 온라인판에 2024년 6월 21일자로 게재되었습니다. 논문명은 "Damage-free dry transfer method using stress engineering for high-performance flexible two- and three-dimensional electronics"입니다.

 

 

그림설명

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연구 추가 설명

1. 연구 배경

최근 전사 프린팅 기술의 발전으로 인해 고품질 재료를 경질 모체 기판에서 분리하여 연성 타겟 기판으로 전달하는 것이 가능해졌습니다. 이러한 기술은 고성능 유연 및 신축성 소자의 제작을 가능하게 하여, 연성 전자, 광전자, 바이오전자 및 에너지 소자를 포함한 많은 연구 분야에 혁신을 가져왔습니다.

 

이러한 소자의 제작 수율을 결정하는 핵심 단계는 전사 프린팅 과정에서 모체 기판으로부터 고품질 박막을 분리하는 단계입니다. 일반적으로 타겟 기능층은 두 층 사이의 희생층이 화학적으로 습식 에칭될 때 기판에서 분리되어 타겟 기판으로 전사됩니다. 그러나 습식 에칭 과정은 매우 반응성이 강하고 유독한 화학 물질을 포함하며, 이는 타겟 층에 화학적 손상을 일으킬 수 있습니다.

 

이를 해결하기 위해 레이저 보조 분리, 제어된 열을 이용한 균열, 물 속에서의 계면 박리, 전기화학적 에칭 또는 기포 형성, 열 응력 보조 분리 방법 등이 개발되었으나 여전히 광범위한 실용적인 응용에는 한계가 있습니다.

 

2. 성과 차별점

기존의 전사 프린팅 방법들은 특별한 장비를 필요로 한다거나, 디바이스에 손상을 준다거나, 별도의 후처리 공정이 필요하다는 단점이 있습니다. 또한 고온에서 열처리를 통해 결정 구조를 갖게 되는 고품질의 전자재료를 전사 프린팅하기에 부적절합니다.

 

이를 해결하기 위해 이번 연구에서는 응력제어를 통해 고온에서 처리된 금속 박막과 산화물 박막을 유연한 기판으로 전사하는 무손상 건식 전사 프린팅 방법을 제안했습니다. 직류 마그네트론 스퍼터링의 매개변수 조정을 통해 이중층 구조를 구축하여 증착된 박막 내부의 유도된 응력의 양과 기울기를 제어했습니다.

 

이후, 모체 기판에 외부 굽힘 변형을 가하여 응력제어된 박막에 추가적인 인장 응력을 유도했습니다. 이는 박리 중 균열 성장 단위 면적당 방출되는 에너지인 변형 에너지 방출률이 박막과 기판 사이의 계면 강도를 초과하도록 하여 신뢰성 있는 박리를 촉진합니다.

 

이 공정은 다양한 형태의 패턴된 금속 박막 및 고온 산화 공정을 거친 박막을 유연하거나 신축성 있는 기판에 전사할 수 있게 합니다. 그 결과, 유연 전자 소자 및 흐름 센서, 이온 농도 센서, 온도 센서, 박막 전지(TFB)와 같은 3D 다기능 구조체를 성공적으로 제작했습니다.

3. 향후 연구계획

이번 연구는 고성능 연성 전자 소자 및 3D 다기능 구조체의 상용화 가능성을 한층 높였으며, 향후 다양한 전자 기기 및 센서 응용 분야에서 큰 기여를 할 것으로 기대됩니다. 연구진은 앞으로 소자의 구조, 해상도 및 안정성을 추가로 개선하여 다양한 환경에서도 안정적으로 작동하는 고성능의 소자를 제작하는 것을 목표로 하고 있습니다.

 

맺음말

무손상 건식 전사 기술은 전자기기 제작에 혁신적인 변화를 가져올 것으로 기대됩니다. 독성 물질 사용 없이 소자를 손상 없이 전사하는 이 기술은 다양한 분야에서의 응용 가능성이 큽니다. 앞으로의 연구와 개발을 통해 더 많은 발전이 이루어질 것입니다. 이 기술은 전자기기 제작의 새로운 시대를 열어갈 중요한 기술로 자리매김할 것입니다.

 

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