에너지 사용효율 극대화 '초박막 대면적 인쇄' 성공

(광주=뉴스1) 김한식 기자 = 국내 연구팀이 에너지 사용효율을 극대화하는 대면적 인쇄 및 패턴법을 개발하는 데 성공했다.

지스트(GIST·광주과학기술원) 신소재공학부 윤명한 교수와 동국대 융합에너지신소재공학과 노용영 교수(공동 교신저자)팀은 새롭게 고안된 용액공정 산화물의 와이어-바(wire-bar) 인쇄법을 통해 다양한 고성능 금속산화물 초박막 절연체 기반 인쇄전자소자의 대면적 제작에 성공했다고 17일 밝혔다.

이로써 웨어러블(wearable) 소자의 소비전력을 기존의 10분의 1 수준으로 낮출 수 있게 됐다.

와이어-바는 정형화된 크기의 금속 막대에 각각 다른 굵기의 얇은 와이어 철사가 감겨 있는 막대다. 와이어-바 코팅은 원하는 재료 위로 잉크와 바(bar)가 함께 움직이면서 코팅하는 방법이다. 주로 표면 품질 평가나 전면 도포 시에 주로 사용된다.

미래창조과학부 글로벌프런티어사업 '나노기반 소프트일렉트로닉스연구단'의 지원으로 수행된 이번 연구에는 GIST 이원준 박사과정생과 동국대 박원태 박사과정생(공동 제1저자)도 참여했다.

연구팀에 따르면, 최근 웨어러블 전자소자에 대한 많은 연구들을 보면 소자의 높은 소비전력과 낮은 전기적 성능 등의 문제점들이 보고되고 있다. 하지만 웨어러블 전자소자를 안정적으로 구동하는 데 필요한 절연체의 두께는 비교적 두꺼워야 하기 때문에 두꺼운 절연체로 인한 높은 전력 소비는 여전히 극복해야 할 문제로 남아 있다.

전력 소모를 낮추기 위한 해결책으로 높은 유전율을 지니는 알루미늄 옥사이드(AlOx) 및 하프늄 옥사이드(HfOx)와 같은 무기 산화물 절연체로 구성된 고품질 초박막(thin film) 제작이 제시되고 있다. 하지만 이를 위해선 값비싼 타깃 소재와 고비용의 설비 투자, 고(高)에너지 출력이 요구되는 대형 장비 등이 반드시 필요하다.

연구팀은 금속 산화물 물질을 용액상의 간단한 기능성 잉크로 제조하고, 새롭게 고안한 와이어-바 코팅을 이용해 용액공정 기반 저비용 인쇄공정으로서 대면적 고속 인쇄가 가능한 고성능의 산화물 전자소자를 제작하는 데 성공했다.

또 접착제·페인트·탄소재료의 필름에 대한 품질 평가와 간단한 표면 코팅에만 적용돼 온 바 코팅 기법을 산화물 바 코팅 인쇄공정으로 새롭게 적용했다.

연구팀은 알루미늄 옥사이드와 하프늄 옥사이드와 같은 분말 고체상의 무기 산화물 절연 재료를 기능성 잉크로 제조했고 이를 바 코팅 인쇄 공정을 통해 다양한 형성 조건들을 조절함으로서 우수한 절연체 박막 필름을 제조할 수 있었다.

이번에 개발된 산화물 바 코팅 공정법은, 높은 절연성과 대면적 균일도를 유지하면서도, 절연층 두께를 10나노미터(10억분의 1미터) 전후로 획기적으로 낮추는 데 성공했다 데 큰 의의가 있다.

넓은 면적에서도 인쇄에 요구되는 용액상 잉크의 양을 스핀코팅(spin-coating)에 비해 수백분의 일 이하 수준만을 사용하기 때문에 잉크의 제조에 들어가는 원재료의 소모적인 부분도 크게 절감할 수 있었다.

특히 산화물 절연체 잉크 제작과 마찬가지로 산화물 반도체 잉크를 또한 제작해 각각 순차적으로 연속 인쇄하였으며, 우수한 품질의 박막층 구조를 형성시킬 수 있었다. 이 박막층 구조를 통해 제작한 트랜지스터의 소비전력을 기존 대비 10분의 1 수준으로 낮출 수 있다는 사실을 확인했다.

또 전면의 균일함을 유지함과 동시에 표면의 거칠기 또한 매끄러워야만 하는 고품질 전자소자 제작의 필요조건을 충족시킬 수 있었다.

윤명한 교수는 "이번에 개발된 산화물 전자소재의 인쇄법은 고품위 금속산화물의 저온 형성법과 결합되어 유연성 대면적 디스플레이의 상업화에 크게 기여할 것"이라고 말했다.

동국대 노용영 교수는 "이번에 개발된 공정이 차세대 저전력 웨어러블 디바이스 제작에 적용될 경우 소비전력을 낮출 수 있어 잦은 충전의 수고를 덜 수 있을 것으로 기대한다"고 설명했다.

이번 연구 결과는 재료 분야의 세계적인 학술지인 어드밴스트 머티리얼즈(Advanced Materials, IF=17.3) 9월 9일자에 게재됐다. 해당 논문은 학술지의 내부 표지(back inside cover)로 선정됐다.

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