전자전기공학부 손동희 교수 공동연구팀, 나노스케일 초박막 유기절연소재 이용

대면적 신축성 전자소자 집적기술 개발

- 성균관대-서울대-KAIST 공동연구, 네이처 일렉트로닉스 2.3. (금) 논문 게재

- 차세대 고성능 신축성 전자시스템 집적기술분야 혁신 기대

▲ (윗줄 왼쪽부터) 손동희 교수, 김대형 교수(서울대), 임성갑 교수(KAIST)

구자훈 박사(서울대), 강주연 박사과정생(KAIST), 이성준 박사과정생(성균관대)

전자전기공학부 손동희 교수 연구팀(이성준 박사과정생)은 한국과학기술원 임성갑 교수 연구팀(강주연 박사과정생) 및 서울대학교 김대형 교수 연구팀(구자훈 박사)과의 공동연구를 통해 진공 증착으로 제작 가능한 나노스케일 두께의 내열성·내화학성 초박막 유기절연소재를 개발하였고, 이를 기반으로 기존 반도체전자소자 제작에 활용하는 마이크로 패터닝 공정프로토콜과 호환 가능한 웨이퍼 스케일의 대면적 신축성 전자소자 집적기술을 개발했다 (그림 1).

[그림1] iCVD 공정으로 제작한 최초의 나노스케일 초박막 유기절연소재와 이를 기반으로 한 대면적 신축성 전자소자 집적기술 개발

물리적인 형태의 변형이 가능한 유연 전자소자는 크게 구부러뜨릴 수 있는 전자소자(flexible electronics)와, 그보다 더 상위의 개념인 신축성이 있는 전자소자(stretchable electronics)로 구분할 수 있다. 유연 전자소자는 기존의 단단한 물질로 구성된 전자소자들의 물리적/기계적 한계를 뛰어넘고, 기존에 불가능했던 새로운 기능들을 구현할 수 있어 2000년대서부터 집중적으로 연구, 개발되고 있다. 유연 전자소자가 적용 가능한 대표적 분야로는 휘어지거나 늘어날 수 있는 유연 디스플레이, 침습적/비침습적으로 생체정보를 수집할 수 있는 모바일 헬스케어, 그리고 주변 환경 및 사물에서 정보를 수집하고 이를 활용하여 사용자와 소통할 수 있는 사물인터넷(Internet of Things) 등이 있다.

유연 전자소자의 개발에 가장 중요시 고려되어야 할 점 중 하나는 물리적/기계적 변형이 일어났을 시 해당 소자의 전기적 성능이 유지되어야 한다는 것이다. 이를 위해서는 전자소자를 구성하고 있는 물질들이 물리적/기계적 변형에 따른 응력(stress)을 효과적으로 해소해야 한다. 기존에 가장 많이 연구되고 있던 방법은 전자소자에 쓰이는 물질들의 두께를 매우 얇게 만들어(수 마이크로미터, 혹은 그 이하로) 유연성을 부여하는 방법과, 개별 소자들을 탄성 기판(elastomeric substrate) 위에 섬 형태(active island)로 제작하고 이들 사이를 필라멘트 형태의 배선(filamentary serpentine interconnect)으로 연결해 외부에서 가해지는 응력을 배선에서 효과적으로 해소하는 방법이다.

상기 방식은 기존의 전자소자에 사용되고 있는 물질들을 그대로 사용할 수 있다는 측면에서 소자의 전기적 성능이 보장되는 장점이 있지만, 반복적으로 가해지는 외부 응력에 의해 물질에 피로도가 쌓여 소자가 부서지거나 고장이 발생한다는 점과 응력을 해소해주는 배선을 필연적으로 사용해야 해서 복잡한 회로의 설계가 불가능하고, 소자의 밀도 및 집적도를 높일 수 없다는 단점이 있다. 따라서 근래에는 전자소자를 구성하는 물질들을 본질적으로 유연한 물질(intrinsically soft materials)로 대체하는 방식의 연구가 대두되고 있으며, 이러한 물질들은 기존의 소재보다 물리적/기계적 특성은 우수하지만 전기적/화학적 성능은 다소 떨어져 이들의 전기적/화학적 성능 향상을 위한 연구가 이루어지고 있다.

그러나 현재까지 보고되고 있는 본질적 유연 전자소자(intrinsically soft electronics)의 성능은 기존의 전자소자 대비 현저히 떨어지고, 개념적(proof-of-concept)인 측면을 제시하는 수준의 연구가 많다. 그 이유는 전자소자를 구성하는 3대 대표 물질인 전도체(conductor), 반도체(semiconductor), 그리고 절연체(dielectric) 중 절연체의 기계적/물리적 특성을 향상하면서 절연성능을 유지하는 방법이 매우 어렵기 때문이다. 다른 두 물질은 활발히 연구되고 있으나, 절연체의 경우 액상 증착만 가능한 고분자 물질 위주로 쓰이고 있으며, 이들은 대체로 유전율이 낮고 두께의 조절이 힘들며, 기존의 반도체 공정에 호환될 수 없어 본질적 유연 전자소자의 성능을 향상시키지 못하고 있다.

이러한 한계를 극복하기 위해, 연구팀은 개시제를 이용한 화학기상증착(initiated chemical vapor deposition, iCVD) 공정을 기반으로 최초의 신축성 초박막 유기절연막을 개발하였다. iCVD 공정은 기상에서 균일한 혼합을 통해 다양한 조합의 공중합체 합성이 가능한 증착 공정으로, 본 연구에서는 부드러운 물성 및 변형 특성에 기여하는 단량체와 가교제를 적절히 배합한 증착 공정을 통하여 신축성과 절연특성을 겸비하며 100 나노미터 내외 두께에서도 균일한 막질로 조성된 고분자 초박막을 제조하였다. 개발된 신축성 유기절연막(k = 3.59)은 높은 파괴전압(2.3 MV/cm-1)을 보유하였으며, 약 160 나노미터의 두께에서 최대 40 %의 반복 인장 변형 특성을 보유하였다 (그림 2). 또한 가교제 배합을 통해 기존의 유기절연막이 보유하지 못한 내열성 및 내화학성을 구현하여, 유기용매(IPA, 에탄올, 아세톤 등) 및 300°C 내외의 온도에서 이루어지는 열처리 공정에 내구성을 가져 반도체 전자소자 집적공정 프로토콜과의 높은 호환성을 확보하였다 (그림 3).

[그림2] iCVD 공정으로 제작한 100nm 대의 두께를 갖는 신축성 초박막 유기절연소재의

우수한 파괴전압, 반복신축안정성 및 6인치 웨이퍼 면적에서 100nm 이하 초박막 범위의 두께 균일도 구현

[그림3] 신축성 초박막 유기절연소재의 우수한 내열성 및 내화학성

개발된 iCVD 신축성 절연막의 우수한 성능 및 높은 집적공정 호환성에 더하여, 연구팀은 제작한 iCVD 절연막에 열 증발(thermal evaporation) 공정으로 금 나노박막을 증착시킬시, 신축성이 확보되는 현상을 발견하였고 그 원리를 분석하여 보고하였다 (그림 4).

[그림4] iCVD 신축성 유기절연층 위에 제작한 금 나노박막 전극의 마이크로크랙 형성을 통한 반복신축 안정성 구현

연구팀은 개발된 신축성 전극 및 절연막을 기반으로 네트워크 구조의 탄소나노튜브(CNT) 반도체를 채널로 사용하여 대면적 신축성 전자소자 집적기술을 구현하였다. 마이크로 패터닝 공정과의 높은 호환성에 의하여, 개발된 신축성 트랜지스터 소자는 4인치 웨이퍼 스케일 면적에서도 높은 균일도의 동작특성을 확보하였다. 또한 10μm 채널 길이에서 14.05cm2/Vs의 반도체 모빌리티, 265mV/dec의 서브 문턱 스윙(subthreshold swing, SS), 2.47 V의 문턱전압(threshold voltage, Vth), log(Ion/Ioff) = 4.63의 on/off 전류비 등의 전기적 성능을 구현하였으며, 최대 40 %의 인장 변형 범위에서 1,000회의 반복 신축에도 동작 특성이 일정하게 유지되는 안정성을 보여주었다 (그림 5).

[그림5] iCVD 신축성 유기절연막을 이용한 4인치 웨이퍼 스케일의 대면적 신축성 전자소자 집적기술 구현

연구팀의 iCVD 신축성 절연막은 그동안 마이크로 두께 이하에서 안정적인 절연 성능 및 변형 특성을 구현하지 못했던 기존의 기술적 장벽을 깨트려, 200 나노미터 미만의 두께에서 안정적으로 작동하고, 대면적 집적을 구현하며, 초박막 두께 구현에 의한 높은 커패시턴스 및 저전압 구동 특성에 의하여 동일한 채널 면적에서 가장 높은 출력 전류를 제공하는 신축성 전자소자의 구현을 가능하게 하였다 (그림 6). 연구팀은 확립된 iCVD 유기절연소재 기반의 저전압 신축성 전자소자 집적기술을 기반으로 pseudo-CMOS 논리소자(Inverter, NAND, NOR, XOR)를 구현하였고, 최대 40% 인장 변형에도 동작 성능이 일정하게 유지되는 디지털 단위 블록 기술을 구현하였다 (그림 7).

[그림6] 기존 신축성 전자소자기술과 비교한 iCVD 초박막 유기절연소재를 이용한 신축성 전자소자기술의 우수성

[그림7] iCVD 초박막 유기절연막을 이용한 신축성 논리소자의 동작특성

손동희 교수는 “신축성 전자시스템 기술 분야의 주요 병목이었던 기존 절연 소재의 한계를, 나노스케일 초박막 두께를 가지며 내열성·내화학성을 겸비한 고품질 신축성 절연 소재 및 제작 공법 개발을 통해 대면적 저전압 구동 신축성 전자소자 집적기술을 구현함으로써 혁신적으로 극복해내었다”며 “향후 저전력 신축성 전자시스템의 대규모 집적화를 통하여 고도화된 차세대 인공전자피부 및 휴대용 웨어러블 어플리케이션의 구현을 가능케 하는 핵심원천기술로 자리할 것으로 기대된다”고 연구 의의를 설명했다.본 연구는 과학기술정보통신부-한국연구재단기초연구사업(No. 2020R1C1C1005567), 기초과학연구원(IBS-R006-A1 and IBS-R015-D1), 한국연구재단기초연구사업(2021R1I1A1A01060389), 삼성미래기술육성사업(no. SRFC-IT2102-04)의 지원을 받아 수행되었으며, 해당 연구결과는 전자공학 분야에서 최고의 권위를 갖는 국제 학술지인 네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics, IF: 33.255, JCR 0.18%)에 2월 3일(금) 게재되었다.

※ 논문명 : A vacuum-deposited polymer dielectric for wafer-scale stretchable electronics

※ DOI: https://doi.org/10.1038/s41928-023-00918-y