투명 디스플레이와 투명 반도체를 대면적으로 싸고 빠르게 찍어내는 기술이 개발돼 자율주행 및 디스플레이 등 다양한 분야에 사용될 것으로 기대를 모으고 있다.

과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진)이 원자층 두께의 2차원 나노소재를 웨이퍼 사이즈로 손상없이 전사할 수 있는 ‘대면적 2차원 나노소재 무손상 롤 전사기술’을 개발했다.

투명 디스플레이와 투명 반도체, 자율주행 자동차를 위한 디스플레이까지 다양한 분야에 활용될 수 있는 나노소재 전사공정을 획기적으로 개선하여 기술 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.

기계연 나노역학장비연구실 김광섭 책임연구원은 두께가 머리카락 5만분의 1 수준인 1㎚ 이하의 2차원 나노소재를 4인치 이상의 웨이퍼 기판에 손상 없이 전사할 수 있는 기술을 개발했다.

롤 기반 전사공정은 전사필름 표면에 위치한 나노소재를 원하는 기판 위에 옮기는 공정이다. 롤러를 이용해 인쇄물을 찍어내듯이 나노소재를 대면적 연속공정으로 옮길 수 있는 고효율 제조기술이다.

전사공정은 옮겨야 할 나노소재가 붙어있는 전사필름(A)과 나노소재가 옮겨지는 대상 기판(B)으로 구분된다. 롤 전사는 A를 B위에 롤러 굴리듯 굴리며 A위에 있던 소재가 B위로 옮겨진다. 타투스티커를 이용해 타투를 피부에 부착시키는 과정과 비슷하다. 타투 무늬가 붙어있는 스티커를 전사필름, 타투 무늬를 2차원 나노소재 및 마이크로 소자, 피부를 대상 기판에 비유할 수 있다.

이번 기술의 핵심은 2차원 나노소재를 전사할 때 얇은 나노소재를 떼어내면서 찢어지거나 기판에 붙이면서 생기는 깨짐 등 불안정성을 제거하는데 성공한 것이다.

연구팀은 전사필름의 점착층 두께를 최적화하여 박리면의 불안정성을 제거했다. 필름에서 타투 스티커를 떼서 피부에 붙일 때 아주 얇고 섬세한 스티커 모양도 훼손되지 않고 그대로 옮길 수 있는 원리를 찾아낸 것이다.

연구팀은 전사필름에서 점착층 두께에 따라 두 가지 서로 다른 손상이 일어나는 것을 관찰했다. 이를 바탕으로 전산 시뮬레이션과 실험을 통해 점착층 변형으로 인한 2차원 나노소재의 손상 메커니즘을 밝히고 점착층 두께를 최적화했다.

이번 연구성과를 활용하면 2차원 나노소재의 롤 전사 공정에서 발생하는 나노소재 손상을 기존의 약 30%에서 1%까지 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

기계연 김광섭 책임연구원은 “이번 연구성과는 2차원 나노소재 및 마이크로 디바이스 기반의 웨어러블 전자기기, 유연투명 디스플레이, 고성능 바이오/에너지 센서의 제조 단가를 획기적으로 낮출 수 있을 것”이라며 “차세대 반도체, 디스플레이, 미래차산업 등 다양한 분야에서 2차원 나노소재 기반 유연투명 전자기기를 활용한 새로운 산업 창출도 가능할 것으로 기대한다”고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원 기계연 기본사업 ‘자율주행차용 유연 투명 디스플레이 나노기반 생산장비 핵심기술 개발’, 정부 과학기술정보통신부 지원 글로벌프론티어사업 ‘Micro-LED 기반 메타 디스플레이 기술 개발’과제의 지원을 받아 수행됐다.