성균관대ㆍ삼성전자 연구진, '초소형 전자소자 접착제' 개발 성공

▲성균관대 김태일 교수 (한국연구재단 제공)

▲유연한 마이크로 LED 디스플레이를 구현한 모습 (한국연구재단 제공)

회로의 집적도 한계를 돌파할 똑똑한 전도성 접착제가 개발됐다.

한국연구재단은 김태일 교수(성균관대 화학공학ㆍ고분자 공학부) 연구팀이 삼성전자 연구진과 함께 초소형(전극 15μm) 전자소자의 고밀도 집적을 위한 전도성 접착제를 개발했다고 13일 밝혔다.

소자가 마이크로 단위가 되면 소자 간 거리도 좁아지고 전극도 작아져 소자의 배열이나 전극과의 연결이 더 까다로워진다. 금속와이어나 전도성 필름을 이용한 패터닝 방식이 소자의 구성요소(LED, 트랜지스터, 저항 등)를 기판에 집적하는 데 주로 쓰인다.

하지만 이러한 방식은 고온․고압에서 진행되어 기판이 변형될 수 있는 유연한 기판에는 적용하기 어렵다. 유연함이 필요한 웨어러블 디바이스나 초소형 신경자극소자 같은 생체 의료기기에 활용하기에 한계가 있었다.

이에 연구팀은 저온저압에서 전도성 접착제를 이용, 머리카락 굵기보다 작은(30μm×60μm) 마이크로 LED 수천 개를 유연기판 위에 집적하는 데 성공했다. 신용카드보다 작은 기판(5cm x 5cm)에 100μm 간격으로 60만개의 마이크로 LED를 배열할 수 있는 수준으로, 기존 상용기술 대비 20배 이상 집적도를 향상시킨 것이다.

비결은 고분자 접착제와 나노금속입자로 만든 전도성 접착제를 이용해 소자와 소자 또는 소자와 전극을 수직으로 연결한 것이다. 스핀코팅이나 UV 노광 같은 비교적 간단한 공정을 이용하는데다 공정의 온도와 압력을 100℃, 1기압 이하로 내려 기판에 미치는 물리적 영향을 줄였다.

그 결과 수천개 이상의 초소형 마이크로 LED를 99.9% 이상의 고수율을 유지하며 대면적으로 전사할 수 있었다. 나아가 급격한 온도 변화에 의한 열충격이나 고온다습 환경에서의 신뢰성에 대한 테스트를 통해 결합의 안정성을 확인했다.

연구팀은 연꽃표면에서 물을 튕겨내는 발수현상에서 힌트를 얻어 접착제 표면의 습윤성(wettability)을 조절할 수 있음을 이용했다. 기판을 덮은 유동성 있는 얇은 접착제 피막의 안정성이 피막의 두께나 소자, 전극의 표면특성에 따라 달라져 서로 접촉하거나 떨어지도록 조절했다.

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