울퉁불퉁 돌멩이에 착... 거친 표면 부착 전사인쇄기술 개발
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울퉁불퉁 돌멩이에 착... 거친 표면 부착 전사인쇄기술 개발
  • 입력 2019-09-05 11:05
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GIST, 고흥조·정건영 교수팀 공동연구
나노과학 저명 학술지 ACS Nano誌 게재

(AI타임스 = 윤광제 기자) ▲과학기술정보통신부는 3일 광주과학기술원 신소재공학부 고흥조 교수 연구팀이 ‘울퉁불퉁한 표면에도 전자소자를 붙일 수 있는 전사인쇄(轉寫印刷) 기술’을 개발했다고 밝혔다.

▲튜브형 나노 섬모가 있는 폴리이미드 필름을 종이, 나뭇잎, 계란, 면직물, 나뭇가지, 나무껍질 등 다양한 울퉁불퉁한 표면에 접착한 이미지. (사진=광주과학기술원 제공)
▲튜브형 나노 섬모가 있는 폴리이미드 필름을 종이, 나뭇잎, 계란, 면직물, 나뭇가지, 나무껍질 등 다양한 울퉁불퉁한 표면에 접착한 이미지. (사진=광주과학기술원 제공)

정건영 교수팀과 공동 연구로 진행된 이번 성과는 나노과학 분야 저명 학술지인 'ACS Nano' 에 9월 3일(한국시간) 자로 온라인 게재됐다.

전사인쇄는 고성능·고집적 전자소자를 울퉁불퉁한 표면에 올릴 수 있는 기술로 전자소자를 직접 제작하기 힘든 신체, 의류, 사물 등 다양한 표면에 전자소자를 접착시키고 활용하기 위해 연구가 이루어지고 있다.

기존 전사인쇄 기술에서는 전자소자를 울퉁불퉁한 표면에 접착할 때 강력한 접착력을 유지하기 위해 접착제를 사용하는 경우가 많았으나 돌멩이, 계란 껍데기 등 생체 또는 자연물과 같은 표면에 접착할 경우 화학적 접착제의 사용을 최소화해야 하는 제약이 있었다. 화학물질에 의해 자연물이 원래의 성질을 잃게 되는 경우가 많기 때문이다.

이와 관련해 울퉁불퉁한 표면에 접착력을 향상시키는 많은 연구가 진행됐다.

넓은 접합 면적을 유지하기 위해 나노미터(㎚, 1㎚는 10억 분의 1m) 또는 마이크로미터(㎛, 1㎛는 100만 분의 1m) 크기의 구조체를 활용하는 방식이 채택됐으나 강한 접착력을 갖추려면 접착 방향, 가해주는 힘 등 특정 조건이 필요했다.

▲계층형 섬모 구조를 이용해 울퉁불퉁한 돌멩이 표면에 붙인 폴리이미드 고분자 박막 기판의 사진 및 주사현미경 이미지. 방사 방향으로 뻗은 필름형 마이크로 섬모 구조와 그 아래 부분적 형성된 튜브형 나노 섬모 구조를 확인할 수 있다. (사진=광주과학기술원 제공)
▲계층형 섬모 구조를 이용해 울퉁불퉁한 돌멩이 표면에 붙인 폴리이미드 고분자 박막 기판의 사진 및 주사현미경 이미지. 방사 방향으로 뻗은 필름형 마이크로 섬모 구조와 그 아래 부분적 형성된 튜브형 나노 섬모 구조를 확인할 수 있다. (사진=광주과학기술원 제공)

특히 돌멩이 같은 자연물은 표면의 모양과 거칠기의 정도가 모두 다르기 때문에 조건의 제약 없이 접착력을 강화시킬 기술이 필요했다.

이에 고흥조 교수팀은 울퉁불퉁한 표면에도 자유롭게 붙일 수 있는 전자소자를 위해 나노미터 크기의 구멍을 갖는 양극산화 알루미늄(Anodized aluminum oxide, AAO)을 틀로 이용해, 속이 빈 튜브형 나노 섬모를 폴리이미드(Polyimide, PI) 고분자 박막 기판 아랫면에 형성시켰다.

이런 튜브형 나노 섬모는 복잡하고 거친 표면에 전사인쇄될 때 울퉁불퉁한 표면을 따라 달라붙는 특징이 있어 접착력을 크게 높일 수 있었다. 이를 이용해 종이, 나뭇잎, 계란, 면직물, 나뭇가지, 나무껍질과 같은 다양한 울퉁불퉁한 표면에 안정적으로 전자소자용 기판을 접착시킬 수 있었다.

연구팀은 울퉁불퉁한 표면에 전자소자를 전사인쇄 할 때 물에 띄운 채 옮기는 수전사 방식을 사용했다.

수전사 후 물이 마르는 과정에서 튜브형 나노 섬모와 울퉁불퉁한 표면 사이에서 모세관 현상이 발생한다. 모세관 현상은 튜브형 나노 섬모가 납작해지기 위한 충분한 힘을 제공하며, 울퉁불퉁한 표면의 굴곡을 따라 납작해지기 때문에 표면 거칠기의 정도나 방향에 제약을 받지 않는다. 이렇게 증가된 표면적이 전자소자와 울퉁불퉁한 표면과의 계면 접착력을 향상시켰던 것이다.

연구팀은 전자소자 응용 사례로, 필름형 마이크로 섬모와 부분적 튜브형 나노섬모로 이루어진 계층 구조의 섬모를 도입해 ‘금속저항 기반 온도센서’를 계란껍질 표면에 전사인쇄해 계란의 실시간 온도를 비파괴적으로 측정할 수 있었다.

▲튜브형 나노 섬모를 이용해 계란 껍데기 표면에 부착된 금속저항 기반 온도센서(왼쪽)와 오븐 속에서 튜브형 나노 섬모가 있는 온도센서와 상용 온도센서의 온도 변화 그래프(오른쪽). 계란 껍데기에 부착된 온도센서는 겉에서도 계란 내부의 실시간 온도를 정확히 파악할 수 있어 비파괴적 온도 모니터링이 가능함을 보여줬다. (사진=광주과학기술원 제공)
▲튜브형 나노 섬모를 이용해 계란 껍데기 표면에 부착된 금속저항 기반 온도센서(왼쪽)와 오븐 속에서 튜브형 나노 섬모가 있는 온도센서와 상용 온도센서의 온도 변화 그래프(오른쪽). 계란 껍데기에 부착된 온도센서는 겉에서도 계란 내부의 실시간 온도를 정확히 파악할 수 있어 비파괴적 온도 모니터링이 가능함을 보여줬다. (사진=광주과학기술원 제공)

또 산화물 반도체인 ‘인듐갈륨아연산화물(indium gallium zinc oxide, IGZO) 기반 박막 트랜지스터 소자’를 현무암 타일 표면에 전사인쇄하고 안정적으로 구동되는 걸 확인했다.

▲계층형 섬모 구조를 이용하여 울퉁불퉁한 현무암 타일 표면에 접착된 트랜지스터의 사진(왼쪽)과 이 소자의 전기적 특성을 보여 주는 그래프(오른쪽). 울퉁불퉁한 현무암 타일 표면에 접착된 뒤에도 안정적으로 트랜지스터 소자가 작동한다. (사진=광주과학기술원 제공)
▲계층형 섬모 구조를 이용하여 울퉁불퉁한 현무암 타일 표면에 접착된 트랜지스터의 사진(왼쪽)과 이 소자의 전기적 특성을 보여 주는 그래프(오른쪽). 울퉁불퉁한 현무암 타일 표면에 접착된 뒤에도 안정적으로 트랜지스터 소자가 작동한다. (사진=광주과학기술원 제공)

 

연구팀은 결국 ‘폴리이미드 박막 기판에 고성능 전자소자를 장착한 후 전사인쇄 공정을 진행하면 울퉁불퉁한 표면에 전자소자를 친환경적·생체친화적으로 붙일 수 있다’는 결론을 도출해냈다.

 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.

고 교수는 또 “본 연구에서 튜브형 나노 섬모를 제작하기 위해 사용한 양극산화 알루미늄은 양극산화 조건에 따라 배열된 구멍의 크기와 길이 분포의 조절이 가능하지만 크기와 길이 분포의 변이가 넓어 각 조건에 따른 접착력을 정량화하기가 힘들었다”며 연구과정의 어려움을 설명했다.

덧붙여 “접착 가능한 범위를 더욱 넓히기 위해 필름형 마이크로 섬모와 튜브형 나노 섬모의 구조 및 디자인을 정교하게 조절하는 연구를 진행할 것”이라고 앞으로의 계획을 밝혔다.

한편 연구자들은 전사 인쇄 기술 연구를 통해 사물 및 동식물에 친환경적으로 전자소자를 부착해 사물인터넷과 빅데이터를 연계할 수 있어 미래 핵심 플랫폼 기술의 한 축이 될 것으로 기대를 모으고 있다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 개인기초연구(중견연구자지원사업) 및 광주과학기술원(GIST) 개발사업 등의 지원으로 수행됐다.

ACS Nano誌 게재되는 논문명은  ‘Enhancement of Interfacial Adhesion Using Micro/Nanoscale Hierarchical Cilia for Randomly Accessible Membrane-Type Electronic Devices’이다.

주저자는 고흥조 교수(교신저자․GIST 신소재공학부), 황영규 박사(공동1저자․GIST 신소재공학부, 現 난양공대 포닥), 유성광 석박사통합과정(공동1저자․GIST 신소재공학부), 임남수 박사(GIST 신소재공학부), 강상명 석사(GIST 신소재공학부), 유혜련 석사(GIST 신소재공학부), 김종우 박사(한국화학연구소), 현유준 박사과정(GIST 신소재공학부), 정건영 교수(GIST 신소재공학부)이다.

윤광제 기자
윤광제 기자 captainyun@naver.com 다른기사 보기
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