- 포스텍 연구팀, 차세대 폴더블 전자소자 구현을 위한 신기술 개발 성공 -
전자기기에서 소자가 놓이는 기판의 내부에 부드러운 물질 층을 삽입하여 딱딱한 물질을 부드럽게 구부릴 수 있게 만드는 새로운 개념의 유연기판이 개발 되었다.
포스텍 정윤영교수 연구팀이 “부드러운 물질을 기판내부에 삽입하여 응력 감쇄 효과를 일으키는 차세대 폴더블 전자소자 구현 기술개발에 성공했다”고 과학기술정보통신부(장관 최기영, 이하 ‘과기정통부’)는 밝혔다.
응력(stress) : 외부의 힘이 물체에 작용할 때 그 내부에 생기는 저항력으로, 변형력이라고도 한다.
물질은 재료 고유의 응력 한도를 가지고 있으며, 딱딱한 물질에는 작은 힘을 가해도 응력이 쉽게 한도를 넘게 되고, 이때 재료가 파괴되며 금(crack)이 나타나게 된다.
과기정통부의 글로벌프론티어사업 지원으로 수행된 본 연구의 성과는 저명한 국제학술지 '사이언티픽 리포츠(Scientific Reports)' 5월 6일(한국시각)자에 게재되었으며, 연구팀은 관련 기술로 국내특허와 미국특허를 출원하였다.
웨어러블 디바이스 및 폴더블폰 기기와 같은 유연 디스플레이 세계시장 규모는 2019년 79.1억 달러에서 25.9%의 연평균 성장을 지속하여 2025년에는 315억 달러에 이를 것으로 예측된다.
한편, 폴더블 스마트폰을 비롯한 다양한 웨어러블 기기에 응용되는 유연 전자 기술에는 구부림에 강하면서도 전기/광학적 성능이 우수한 소재가 요구된다.
하지만, 유연성 구현을 위해 그동안 개발된 그래핀, 탄소나노튜브, 고분자 기반 소재들은 성능과 양산성이 기존의 딱딱한 물질들에 비해 많이 떨어진다는 한계가 존재하였다.
연구팀은 유연 전자 기기에서 전자 소자에 가해지는 응력 자체를 줄일 방법을 모색하던 중, 유연 기판 내에 부드러운 물질 층을 삽입하는 방법을 고안해 냈는데, 응력 감쇄층이 삽입된 유연 기판의 경우, 일반 유연 기판에 비해 표면 변형률이 크게 감소되는 것은 물론, 기존의 딱딱한 소재를 이용하더라도 구부림에 의한 성능 저하가 없다는 사실을, 이미 디스플레이 제품에 널리 사용되고 있는 ‘인듐 주석 산화물’소재를 이용한 실험을 통해 입증하였다.
정윤영 교수는 “본 연구는 신소재 개발 위주의 기존 유연 전자소자 연구와 달리 기판의 구조적 변화를 통하여 소자에 가해지는 응력을 줄이는 새로운 방식의 유연 소자 제작 기법을 제시한 것”이라며, “시간과 비용이 많이 드는 새로운 유연물질의 개발과정을 획기적으로 보완할 수 있는 응력 감쇄형 유연 기판 기술은 기존에 산업계에서 성능이 검증된 금속과 세라믹을 사용하여 유연 전자소자 구현이 가능한 만큼, 빠르게 성장하는 유연 전자기기 시장 지배력을 높이는데 큰 도움이 될 것으로 예상된다.“고 밝혔다.
그림 1. 기존 유연 기판과 응력 감쇄형 유연 기판의 구조.
(왼쪽) 폴리이미드 단일층으로 구성된 기존 유연 기판의 구조
(오른쪽) 폴리이미드 유연 기판 내에 부드러운 응력 감쇄층이 삽입된 응력 감쇄형 유연 기판의 구조
그림 2. 응력 감쇄형 유연 기판의 효과.
(왼쪽) 굽힘 이후에 금(crack)이 형성되어 전기 성능이 크게 저하되는 기존 유연 기판 위의 딱딱한 소재 박막
(오른쪽) 작은 굽힘 반경에서도 소재에 손상이 없는 응력 감쇄형 유연 기판 위 딱딱한 소재 박막
그림 3. 유연 기판 내 변형률 분포 시뮬레이션.
유연 기판을 구부릴 때 기판의 안쪽 표면과 바깥쪽 표면으로 갈수록 변형률이 크게 증가하는 기존 유연 기판에 비해, 응력 감쇄형 유연 기판의 표면에서는 변형률이 크게 감소함을 나타내는 시뮬레이션 결과
그림 4. ITO 굽힘 반경에 따른 저항 변화.
대표적으로 딱딱한 전자 소재인 ITO 박막의 굽힘 반경(bending radius)에 따른 저항 변화 결과. 응력 감쇄형 유연 기판 위의 ITO는 굽힘 반경이 작아져도 손상 받지 않고 저항 변화 없이 높은 전기 성능을 유지하는 것을 나타냄.
그림 5. ITO 전극의 굽힘 반복 횟수에 따른 저항 변화.
대표적으로 딱딱한 전자 소재인 ITO 박막의 굽힘 반복 횟수에 따른 저항 변화 결과. 응력 감쇄형 유연 기판 위의 ITO는 굽힘이 5,000번 이상 반복되어도 손상 받지 않고 저항 변화 없이 높은 전기 성능을 유지하는 것을 나타냄.
그림 6. 100번 굽힘 반복 이후 유연 기판 위 전극 표면의 전자 현미경 관찰 이미지.
(왼쪽) 굽힘 반복 후 금(crack)이 형성된 기존 유연 기판 위 전극의 전자 현미경 관찰 이미지 (오른쪽) 굽힘 반복 후에도 손상이 전혀 없는 응력 감쇄형 유연 기판 위 전극의 전자 현미경 관찰 이미지
