‘스크래치에도 OK, 구부러져도 OK, 고열에도 OK’… 혁신적 산화막 기술, 폴더블 기판 시장 판도 바꿀까

포스텍·美 NCSU, 자연산화막 이용 고효율 금속 산화막 인쇄 공정 ‘사이언스’지 게재

2019년 삼성은 세계 최초로 구부러지는 폴더블(foldable) 스마트폰을 출시한데 이어 애플도 2026년 출시를 목표로 제품 개발에 박차를 가하고 있다.

하지만 화면이 접히거나 구부러지는 과정에서의 성능 저하를 극복할 기술 개발은 여전히 더딘 실정이다. 

접히고, 형태가 변하는 전자기기의 핵심 소재는 망가지지 않고, 고열에 견디는 기판이라고 할 수 있다.

(왼쪽부터)정운룡 교수, 공민식 박사, Michael Dickey 교수, Man Hou Vong 박사과정생. 포스텍 제공

최근 포스텍(포항공대)은 미국 노스캐롤라이나 주립대(NCSU) 연구팀과 함께 새로운 솔루션을 ‘사이언스’지에 보고해 학계의 주목을 받고 있다고 16일 밝혔다. 

포스텍 신소재공학과 정운룡 교수, 공민식 박사 연구팀은 美 NCSU 화학·생체 분자 공학부 마이클 디키(Michael Dickey) 교수, 만 호우 봉(Man Hou Vong) 박사과정생 연구팀과의 연구를 통해 액상 금속에서 자연적으로 생기는 산화막을 대면적, 연속적으로 인쇄하는 공정을 구현하는데 성공했다.

이를 통해 스크래치에 강한 나노 두께의 폴더블 투명 전극과 회로를 제작했다. 이번 연구는 세계 최고 권위 과학 학술지인 ‘사이언스(Science)’지에 한국 시각으로 16일 게재됐다. 

스마트폰이나 태블릿, 노트북 등 우리가 흔히 사용하는 여러 전자기기의 핵심 요소 중 하나는 금속 원소와 산소의 결합으로 형성된 ‘금속 산화물 박막’이다. 이 박막은 특성 제어를 통해 부도체-반도체-도체 간 변환이 가능하고, 투명성과 내구성, 유연성이 뛰어나 웨어러블·폴더블 기기에도 널리 사용되고 있다.

빛이나 화학 물질과의 반응성이 커 광학 센서와 가스 센서에서도 매우 중요하다. 

이처럼 유용한 금속 산화물 박막의 응용 분야를 더 넓히려면 고순도의 박막을 고밀도·대면적으로 생산할 수 있는 기술이 필요하다. 

하지만 기존의 ‘용액 기반 합성법’은 대면적의 박막을 만들 수는 있으나 이를 고밀도로 형성하는 데 한계점이 있다. 

또한, ‘화학적 기상 증착(CVD)’과 ‘물리적 기상 증착(PVD)’은 고순도 박막을 제작할 수 있지만, 사용할 수 있는 전구체가 제한적이고, 공정 속도가 느리다는 문제점이 있었다. 

화학적 기상 증착(CVD, Chemical Vapor Deposition)은 기판 위에 있는 기체 상태의 재료가 반응을 

일으켜 얇은 고체 막을 형성하는 공정으로 높은 온도와 복잡한 화학 반응이 필요하다.

물리적 기상 증착(PVD, Physical Vapor Deposition)은 기판 위에 있는 고체 상태의 재료를 증발시켜 

기판에 증착시키는 방법을 말한다.

이번 연구에서 포스텍과 NCSU 연구팀은 기존 기술의 한계를 극복하기 위해 공기 중에 노출된 금속 표면에 자연적으로 형성되는 얇은 산화막에 주목했다. 액상 금속은 표면장력이 매우 커 기판 위에 얇게 펴지기보다는 물방울처럼 다시 뭉치는 성질이 있다. 

이 연구팀은 이러한 비젖음성(dewetting)을 활용하면 산화막을 쉽게 분리할 수 있다는 점에 착안, 균일한 금속 산화막을 연속적으로 인쇄하는 공정을 설계했다. 연구팀은 프린터 헤드(head) 부분에 열을 가해 금속을 액체 상태로 만들었다. 그리고, 인쇄 과정에서 얇은 금속층이 위/아래 산화막 사이에서 비젖음성으로 프린터 헤드와 함께 밀려나게 함으로써, 금속 잔류물 없이 깨끗한 산화막을 얻는 데 성공했다.

또한, 이 기술을 이용해 비정질의 갈륨(Ga)·인듐(In)·알루미늄(Al) 산화막 등 산화막을 다양한 기판(실리콘 웨이퍼, 유리, 고분자, 금속 등)에 인쇄했다.

갈륨 산화막으로 절연막을 만들거나, 갈륨 산화막 내부에 금 또는 구리를 증착해 전도성을 부여하는 데도 성공했다. 

일반적으로 산화물에 금속을 증착하는 경우 산화물과 금속 간 접착력이 약하지만, 연구팀의 기술로 인쇄된 산화막은 내부로 확산한 금이나 구리 덕분에 접착력이 뛰어났다. 

이를 바탕으로, 연구팀은 800℃ 고온에서 안정적이고, 구겨지거나 완전히 접어도 망가지지 않을 정도로 기계적 안정성이 우수한, 나노 두께(<10nm)의 폴더블 투명 회로를 완벽하게 구현했다.

포스텍 정운룡 교수는 “비정질 상태의 자연 산화막에 일반적인 연속 프린팅 공정을 적용하고, 이를 통해 스크래치에 강한 나노 두께의 폴더블 투명 전극과 회로를 만든 최초 사례”라고 이번 연구의 의의를 밝혔다. 

공민식 박사는 ”비정질 상태의 자연 금속 산화막은 기계적·전기적 성능이 독특해 앞으로 다양한 추가 연구가 기대되고, 여러 분야에 응용될 수 있을 것“이라고 말했다. 

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업, 미래유망 융합기술 파이오니아사업의 지원으로 수행됐고, 포항 방사광가속기를 이용했다. 

포항=이영균 기자 [e-mail]