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Research

휘거나 접히는 전자제품에 최적화된 '플렉시블' 전극 개발

  • 조회. 396
  • 등록일. 2020.05.07
  • 작성자. 홍보팀

DGIST 장재은 교수팀, 휘거나 접히는 박막 전극에 마이크로 구멍을 내 전기적 파괴를 최소화 하는 기술 개발 
폴더블 스마트폰 등의 플렉시블 전자소자에 획기적 기여 예상돼

 

DGIST 정보통신융합전공 장재은 교수(뒤), 허수진 박사과정생(앞)

 

 DGIST는 정보통신융합전공 장재은 교수팀이 기존 박막전극에 아주 작은 마이크로 구멍을 특정 형상으로 배치해 전기적 내구성을 높인 박막전극 제조 기술을 개발했다. 또 이를 이용한 박막 트랜지스터를 제작 기술도 함께 개발해, 향후 전기적 내구성이 필수적인 플렉시블 디바이스에 많은 응용이 가능할 것으로 기대된다.

 최근 폴더블 스마트폰처럼 휘거나 접는 전자제품이 증가하며 플렉시블 전극 연구가 활발하다. 기존 연구들은 전도성을 확보하면서도 유연성을 향상시키기 위해 전극의 새로운 구조를 설계하거나 응력1)이 최소인 부분을 이용한 균열 억제에 초점을 맞춰왔으나 제조 공정이 복잡하거나 새로운 생산라인이 필요한 한계가 있어왔다. 또 전극을 제작 하더라도 제한적인 물질로만 제작이 가능하며, 개발한 전극도 전도성이 낮아 상용화에는 문제가 많았다.

 이에 장 교수팀은 기존과 다른 관점에서 접근했다. 기존 연구가 전극이 접히거나 구부러지면서 생기는 균열을 억제하려 했다면, 장 교수팀은 균열을 발생시키고, 이를 제어하는 관점에서 전극 연구를 진행했다. 그 결과, 최적화된 배열로 작은 마이크로 구멍을 형성하는 새로운 박막 전극 구조를 제시했다. 이는 특정 부분에만 응력을 집중시켜 균열이 퍼지는 것을 제어하는 새로운 구조다.

 연구팀은 2~3마이크로미터의 아주 작은 구멍을 전극에 특정한 배열로 형성해 구멍 부분에서만 균열이 일정하게 발생하게끔 유도했다. 기존의 전극은 휘거나 굽을 경우, 전극 전반에 균열이 발생하며 전기가 전달되지 않았다. 하지만 일정 배열로 전극에 배치된 구멍들은 구멍의 측면 부분에만 균열을 집중적으로 발생시켰으며, 전극을 30만 번 이상 굽혔다 펴도 전극 내 다른 부분에 균열이 가지 않을 정도로 전극의 전기적 내구성을 개선시켰다.

 또한 개발된 박막전극은 현재 전극을 생산하는데 사용 중인 반도체 공정 장비를 그대로 이용해 제작이 가능하다. 이는 전혀 새로운 생산 장비가 필요하던 기존 연구보다도 훨씬 경제적이고 효율적이다. 그리고 개발한 박막 전극을 이용해 개발한 트렌지스터 또한 기존과 유사한 성능을 유지하면서도 높은 내구성을 자랑해 향후 광범위한 활용이 기대된다.

 DGIST 정보통신융합전공 장재은 교수는 “이번 연구를 통해 개발한 박막전극은 미세한 구멍을 이용해 균열을 효과적으로 통제하는 새로운 개념의 전극”이라며 “향후 관련 기술을 좀 더 발전시킨다면 플렉시블 전자기기의 전자적 내구성을 획기적인 개선에 긍정적인 영향을 줄 것으로 기대된다”고 말했다.

 한편, 이번 연구 결과는 관련 분야 국제학술지 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’에 4월 2일(목) 온라인 게재됐다.

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1) 응력(Stress): 재료에 압축, 인장, 굽힘, 비틀림 등의 하중(외력)을 가했을 때, 그 크기에 대응하여 재료 내에 생기는 저항력

 


    연구결과개요 

Stress Release Effect of Micro-hole Array for Flexible Electrode and Thin Film Transistor
Gwang Jun Lee, Su Jin Heo, Seungchul Lee, Jae Hoon Yang, Byoung Ok Jun, Hyun Sik Kim, and Jae Eun Jang
(ACS Applied Materials & Interfaces, Online published on 2 April, 2020)


 플렉시블 전자제품에 대한 수요와 관심이 높아짐에 따라 플렉시블 전극과 전자소자에 대한 연구는 필수적인 요소이다. 대부분의 플렉시블 전극은 응력을 최소화하여 균열의 발생을 억제하는 방향으로 연구되어 왔다. 하지만 플렉시블 소자의 굽힘과 접힘과 같은 기계적인 변형 시에 생기는 균열은 피할 수 없는 상황이다. 따라서 이와 같은 방법은 임계점을 넘어서는 응력이 걸리면 균열이 일어나게 되고, 그 결과 전극의 전도성이 현저하게 낮아진다거나 소자의 신뢰성이 감소하는 등의 문제점이 있다.  
 본 연구에서는 박막에 균열을 효과적으로 제어할 수 있는 마이크로 hole 구조를 지그재그 배열함으로써 플렉시블 전극과 소자에 효과적으로 접목하여, 관련 연구 대비 높은 전도성을 유지하는 플렉시블 전극과 높은 신뢰성을 가지는 플렉시블 박막 트랜지스터를 개발하여 플렉시블 전자제품에의 응용할 수 있는 가능성을 제시하였다. DOI : 10.1021/acsami.0c02362

 


    연구결과문답 

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
폴더블 스마트폰등, 휘거나 접히는 전자제품에서 플렉시블 전극과 소자는 필수적인 요소이다. 따라서 높은 전도도를 유지하고 소자의 내구성을 높일 수 있는 플렉시블 응용이 가능한 금속 박막 전극의 개발이 지속적으로 요구되어 왔다. 이번 연구는 마이크로 hole 구조를 박막에 디자인하여 기존의 복잡한, 격자나 네트워크 구조, 3차원입체구조를 사용한 연구의 문제점을 해결하면서 실제 플렉시블 전자제품에 활용 및 응용 가능성을 제시하였다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?
기계적 변형 시에 높은 전도도와 내구성을 나타내기 때문에 활용범위가 매우 넓다. 예를 들어, 플렉시블 디스플레이 혹은 요즘 출시되어 이슈화 된 폴더블 스마트폰과 같은 전자제품에 응용되어 사용이 가능하다. 

Q. 실용화까지 필요한 시간은?
본 연구를 통해 고안된 플렉시블 전극 및 박막 트랜지스터는 물질적, 구조의 기반은 당장 제조 현장에서 사용가능하다. 좀더 내구성과 신뢰성의 향상과 더욱 안정적인 동작 결과를 도출하기 위한 추가 연구가 진행될 예정이다.

Q. 실용화를 위한 과제는?
플렉시블 전극에 대한 적용은 바로 가능하나, 좀더 유연하지 못한, 반도체 물질등을 사용하는 박막 트랜지스터인 경우는, 전기적 성능 저하 없이 내구성을 유지하기 위해, 나노미터 단위에서의 플렉시블 특성 및 더 소형화되고 집적된 구조로 연구가 이루어져야한다.

Q. 연구를 시작한 계기는?
폴더블폰등이 사용화 되었으나, 아직도 전자소자의 접히는 부분에 대한 전기적 기계적인 이슈가 완전히 해결되고 있지 못하다. 이를 해결하기 위해, 수십년간 많은 노력을 해왔으나, 대부분 복잡하거나, 발생하는 균열을 최소화 하는 방법에 기반을 두고 있다. 하지만 기계적인 응력이 가해질 경우 균열이 발생은 자연적인 현상이기 때문에, 이를 발생하게 한후 이를 제어하자는 발상의 전환을 시도하였다. 아이디어는 공사장을 지나다, 공사할 때 많이 쓰이는 구멍이 뚤린 철판을 보고, 이를 이용하면 마이크로 미터 단위의 세계에서도 해결책이 될수 있을것이라 생각하고 연구를 시작하게 되었다.

Q. 어떤 의미가 있는가?
복잡한 공정 없이 기존의 반도체 또는 디스플레이 공정을 이용하여 쉽게 기존의 플렉시블 전극과 소자에 접목이 가능하며, 기존 관련 연구 대비 높은 전도도와 내구성을 보여준다는 점이 의미가 있다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
플렉시블 전자제품의 실제 현장에서 활용될 수 있도록 노력하겠다.

 


    그림 설명 

[그림 1] 실제 박막전극의 변형모습

실제 박막전극의 변형모습

(그림설명) 일정 배열로 전극에 배치된 마이크로 구멍들은 구멍의 측면 부분에만 균열을 집중적으로 발생시켜 전극을 30만 번 이상을 굽혔다 펴도 전극 내 다른 부분에 균열이 가지 않을 정도로 전극의 전기적 내구성을 개선시켰다

 

[그림 2] 마이크로 홀 구조에 따른 응력의 분포 시뮬레이션 결과 및 실제 균열 발생 결과

마이크로 홀 구조에 따른 응력의 분포 시뮬레이션 결과 및 실제 균열 발생 결과

(그림설명) 지그재그 형태의 홀 분포로 균열이 끝까지 이어지지 않아 전기적 단락을 막을 수 있다

 

[그림 3] 플렉시블 전극(우) 및 박막 트랜지스터의 모식도(좌)

플렉시블 전극(우) 및 박막 트랜지스터의 모식도(좌)

(그림설명) 마이크로미터의 아주 작은 구멍을 디자인하여 신뢰성과 내구성을 높인 플렉시블 전극과 소자를 제작할 수 있다.


 

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