전자전기공학부 손동희 교수 연구팀(이성준 박사과정생)은 KAIST 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 개발하여, 이를 기반으로 기존 반도체 전자소자 제작에 활용하는 마이크로 패터닝 공정프로토콜과 호환 가능한 웨이퍼 스케일의 대면적 신축성 전자소자 집적기술을 개발하였다. (그림 1)

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 소자들로는 불가능했던 새로운 기능들을 구현할 수 있어 2000년대서부터 집중적으로 연구, 개발되고 있다.

▲(그림1) iCVD 공정으로 제작한 최초의 나노스케일 초박막 유기절연소재와

이를 기반으로 한 대면적 신축성 전자소자 집적기술 개발

유연 전자소자 구현을 위해 가장 많이 연구되고 있던 방법은 전자소자에 쓰이는 물질들의 두께를 매우 얇게 만들어 유연성을 부여하는 방법과 개별 소자들을 탄성 기판(elastomeric substrate) 위에 섬 형태(active island)로 제작하고 이들 사이를 필라멘트 형태의 배선으로 연결해 외부에서 가해지는 응력을 배선에서 효과적으로 해소하는 방법이다.

이러한 방식은 전자소자에 사용되고 있는 물질들을 그대로 사용할 수 있다는 측면에서 소자의 전기적 성능이 보장되는 장점이 있지만, 외부 응력에 의해 소자가 부서질 수 있고 복잡한 회로의 설계가 불가능해, 소자의 밀도 및 집적도를 높일 수 없다는 단점이 있다. 따라서 근래에는 전자소자를 구성하는 물질들을 본질적으로 유연한 물질로 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.

이러한 한계를 극복하기 위해 연구팀은 개시제를 이용한 화학기상증착(initiated chemical vapor deposition, iCVD) 공정을 기반으로 최초의 신축성 초박막 유기절연막을 개발하였다. 연구팀은 부드러운 물성 및 변형 특성에 기여하는 단량체와 가교제를 적절히 배합한 증착 공정을 통하여 신축성과 절연특성을 겸비하며 100나노미터 두께에서도 균일한 막질로 조성된 고분자 초박막을 제조하였다. 개발된 신축성 유기절연막(k = 3.59)은 높은 파괴전압(2.3 MV/cm-1)을 보유하였으며, 약 160나노미터의 두께에서 최대 40%의 반복 인장 변형 특성을 보유하였다. 300°C 내외의 온도에서 이루어지는 열처리 공정에 내구성을 가져 기존의 반도체 전자소자 집적공정 프로토콜과도 호환할 수 있도록 개발되었다. (그림 2)

▲(그림2) 신축성 초박막 유기절연소재의 우수한 내열성 및 내화학성

연구팀은 개발된 신축성 전극 및 절연막을 기반으로 네트워크 구조의 탄소나노튜브(CNT) 반도체를 채널로 사용하여 대면적 신축성 전자소자 집적기술을 구현하였다. 마이크로 패터닝 공정과 높은 호환성을 가지므로 개발된 신축성 트랜지스터 소자는 4인치 웨이퍼 스케일 면적에서도 높은 균일도를 보였다. 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 3)

▲(그림3) iCVD 신축성 유기절연막을 이용한 4인치 웨이퍼 스케일의

대면적 신축성 전자소자 집적기술 구현

연구팀은 그동안 마이크로 두께 이하에서 안정적인 절연 성능 및 변형 특성을 구현하지 못했던 기존의 기술적 장벽을 깨트리며 200나노미터 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 전자소자를 구현하였다. 연구팀은 확립된 iCVD 유기절연소재 기반의 저전압 신축성 전자소자 집적기술을 기반으로 최대 40% 인장 변형에도 동작 성능이 일정하게 유지되는 디지털 단위 블록 기술을 구현하였다.

손동희 교수는 “신축성 전자시스템 기술 분야의 주요 병목이었던 기존 절연 소재의 한계를, 대면적 저전압 구동 신축성 전자소자 집적기술 개발을 통해 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.

공동 연구팀의 연구결과는 전자공학분야 국제 학술지인 네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics, IF: 33.255, JCR 0.18%)에 2월 3일(금) 자로 게재되었다.

본 연구는 과학기술정보통신부-한국연구재단기초연구사업, 기초과학연구원(IBS-R006-A1 and IBS-R015-D1), 한국연구재단기초연구사업(2021R1I1A1A01060389), 삼성미래기술육성사업(SRFC-IT2102-04)의 지원을 받아 수행되었다.

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

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