[뉴스프리존,대전=이기종 기자] 한국연구재단(NRF)은 성균관대학교 화학공학·고분자공학과 김태일 교수팀이 삼성전자 연구진과 함께 초소형(전극 15μm) 전자소자의 고밀도 집적을 위한 전도성 접착제를 개발했다고 14일 밝혔다.

최근 소자의 집적도는 기하급수적으로 증가하고 있고 이로 인해 전자소자의 구성요소는 점점 작아지고 이를 제한된 기판 위에 고밀도로 집적하는 기술이 필수적이다.

기존에는 금속 와이어, 금속 솔더, 이방성 도전 필름(Anisotropic Conductive Film, ACF) 방법을 이용해 PCB 기판 위에 집적해왔다.

하지만 유연한 기판에서 마이크로미터 크기의 소형화된 전자소자에서의 적용은 고온고압 공정, 느린 처리속도, 약한 물리적 안정성 등으로 사용이 매우 힘들다.

특히 차세대 소자로 주목받고 있는 유연 웨어러블 소자의 제작에는 그 한계점이 더욱 두드러져 연구가 지연되는 원인 중 하나로 꼽힌다.

이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 저온 및 저압에서 전도성 접착제를 이용해 머리카락 굵기보다 작은(30μm×60μm) 마이크로 LED 수천 개를 유연기판 위에 집적하는 데 성공했다.

연구과정을 보면 연꽃표면에서 물을 튕겨내는 발수현상에서 힌트를 얻어 접착제 표면의 습윤성(wettability)을 조절할 수 있음을 이용했다.

이는 기판을 덮은 유동성 있는 얇은 접착제 피막의 안정성이 피막의 두께나 소자, 전극의 표면특성에 따라 달라져 서로 접촉하거나 떨어지도록 조절한 것이다.

특히 수 마이크로미터 단위의 초소형 전자소자의 고밀도 집적에 쉽게 적용 가능하고, 저온저압 공정을 통해 높은 수율과 신뢰성을 가지는 전기적 결합을 형성하는 것을 목표로 했다.

이후 고분자 접착제의 젖음 성질과 접착제의 두께, 나노 사이즈 금속 입자의 표면 에너지 사이의 상관관계에 대해 이론적으로 규명하고 이를 바탕으로 선택적으로 비젖음 특성(dewetting)을 갖는 비등방성 전도성 접착제를 개발했다.

비등방성 전도(anisotropic conduction)은 방향에 따라 물체의 전기전도도의 성질이 다른 것을 의미하고 수직방향에 따라 전기전도성을 가지게 함으로 수평으로는 절연특성을 가지게 함으로 기판과의 전기적 연결을 유도했다.

또 얇은 고분자 접착제의 안정성은 기판과 접착제의 상호작용, 형성된 접착제의 두께에 의해서 결정되고 이러한 안정성에 따라 얇은 고분자 접착제는 각각의 고유한 젖음 성질(wettability, 습윤성)을 가지게 된다.

이로 인해 기판과 접착제의 물질, 코팅된 접착제의 두께 조절을 통해 젖음 성질의 조절이 가능하다.

이 과정에서 젖음(wetting)과 비젖음(dewetting)의 차이점을 보면 젖음은 액체가 고체 표면과 접촉을 유지하는 능력으로 표면의 친화성과 관련이 있어 균일한 피막 상태의 액체 혹은 고체의 특성을 말한다.

이에 반해 비젖음성은 연잎위의 물방울과 같이 액체의 불안정하게 만들어 표면에 균일하게 젓지 않는 특성을 의미하는 것으로, 이러한 비젓음 특성은 기판와 상기 필름의 분자간 상호작용에 의해 결정되는데 표면에너지에 의해서 결정된다.

이어 형성된 기판-전도성 접착제-전자 소자의 결합은 열충격(-40℃~85℃ 온도 변화), 고온고습(85℃, 85% 상대습도) 신뢰성 시험을 통해 그 안정성이 증명됐다.

이 연구결과에 의하면 비등방성 전도성(anisotropic conductive) 접착제를 이용해 유연한 기판 위에 발광 다이오드, 트랜지스터 등 다양한 전자소자의 연결이 가능하며, 수 천 개 이상의 30 μm × 60 μm 크기 무기 발광 다이오드를 99% 이상의 고수율을 유지하며 대면적 전사 공정에 성공했다.

이로 인해 신용카드보다 작은 기판(5cm x 5cm)에 100μm 간격으로 60 만개의 마이크로 LED를 배열할 수 있는 수준으로 기존 상용기술 대비 20배 이상 집적도를 향상시켰다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단의 뇌과학원천기술개발사업과 삼성전자 삼성미래육성사업 지원으로 수행됐고 소재분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 4월 16일 게재됐다.