돌멩이 같은 울퉁불퉁한 표면에 붙이는 전자소자 개발

- 튜브 형태 나노 섬모를 통해 접착력 강화

과학기술정보통신부(장관 유영민)는 광주과학기술원(GIST, 총장 김기선) 신소재공학부 고흥조 교수 연구팀이 ‘울퉁불퉁한 표면에도 전자소자를 붙일 수 있는 전사(轉寫)인쇄 기술’을 개발했다고 지난달 3일 밝혔다.
  자연물을 비롯한 대부분의 사물 표면은 대체로 평평하지 않아 고성능.고집적 전자소자를 제작하거나 붙이기 어렵다. 돌멩이나 나뭇잎, 계란 껍데기 등 환경이나 생체친화적인 물체에 전자소자를 붙일 때는 화학물질의 사용을 최소화해야 한다.
  고흥조 교수팀은 울퉁불퉁한 표면에도 자유롭게 붙일 수 있는 전자소자를 위해 기판 아랫면에 튜브형 나노 섬모 구조체를 도입했다. 튜브형 나노 섬모는 전사인쇄 후 표면 굴곡에 맞춰 납작하게 달라붙는 특징이 있어 넓은 접촉 면적을 만들며, 전자소자와 표면 사이 접착력을 크게 높일 수 있었다. 더 나아가 소자 주변에 ‘필름형 마이크로 섬모와 튜브형 나노 섬모로 이뤄진 계층 구조(이하 마이크로-나노 섬모 계층 구조)’를 형성했다. 이는 더 다양한 표면에 전사인쇄를 가능하도록 하였다.
  튜브형 폴리이미드 나노 섬모는 고흥조 교수팀과 정건영 교수팀이 양극 산화 알루미늄을 틀로 사용해 형성할 수 있었다. 마이크로-나노 섬모 계층 구조는 일정한 무늬로 양극산화가 이루어진 다공성 양극산화 알루미늄을 틀로 사용해 제작하였다. 이 구조가 있는 폴리이미드 박막 기판에 고성능 전자소자를 장착한 후 전사인쇄 공정을 진행하면 울퉁불퉁한 표면에 전자소자를 친환경적 ․ 생체친화적으로 붙일 수 있다.
  고흥조 교수는 “이번 성과는 고성능 전사소자를 계란이나 돌멩이 등 다양한 표면에 접착 가능케 하는 기술”이라며 “농축산물의 영양 모니터링 및 자연환경 모니터링 등 다양한 분야에 활용될 것”이라고 기대했다. 실생활에서는 계란 껍데기에 온도센서를 붙여 신선도를 파악하거나, 자연환경을 모니터링하는 센서를 돌멩이에 부착하는 등 다양한 분야에 활용될 것으로 기대된다.
  이번 연구는 과학기술정보통신부 개인기초연구(중견연구자지원사업) 및  광주과학기술원(GIST) 개발사업 등의 지원으로 수행되었다. 연구 성과는 나노과학 분야 학술지인 ‘ACS Nano´에 9월 3일자 온라인에 게재됐다.

[그림 1] 튜브형 나노 섬모가 있는 폴리이미드 필름을 종이, 나뭇잎, 계란, 면직물, 나뭇가지, 나무껍질 등 다양한 울퉁불퉁한 표면에 접착한 이미지.

[연구 결과 개요]
 
1. 연구의 필요성

전사인쇄는 고성능·고집적 전자소자를 울퉁불퉁한 표면에 올릴 수 있는 기술이다. 이 기술은 전자소자를 직접 제작하기 힘든 신체, 의류, 사물 등 다양한 표면에 전자소자를 접착시키고, 활용하기 위해 많은 연구가 이루어지고 있다. 기존 전사인쇄 기술에서는 전자소자를 울퉁불퉁한 표면에 접착할 때, 강력한 접착력을 유지하기 위해 접착제를 사용하는 경우가 많았다. 그러나 생체와 자연물과 같은 표면에 접착할 경우 화학적 접착제의 사용이 제한된다.
  울퉁불퉁한 표면과 넓은 접합 면적을 유지하기 위해 나노미터(㎚, 1㎚는 10억 분의 1m) 또는 마이크로미터(㎛, 1㎛는 100만 분의 1m) 크기의 구조체를 활용해 접착력을 향상시키는 연구가 많이 진행됐다. 그러나 강한 접착력을 부여하려면 접착 방향, 가해주는 힘 등 특정한 조건이 필요한 단점이 있었다. 특히 자연물의 경우 울퉁불퉁한 표면의 모양이나 거칠기의 정도의 범위가 넓고, 쉽게 예측하기 힘들어 조건의 제약 없이 접착력을 강화시킬 기술이 필요하다. 

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<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2019년 10월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>