연꽃에서 힌트 얻은 전도성 접착제 개발
유연 전자소자 고밀도 집적에 적용
차세대 디스플레이 마이크로 LED 상용화 가능성 보여

화학공학/고분자공학부 김태일 교수 연구팀(이주승 박사과정생, 제1저자)은 삼성전자 연구진과 함께 초소형(전극 15μm) 전자소자의 고밀도 집적을 위한 전도성 접착제를 개발했다고 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 생체의료기기에 활용하기에 한계가 있었다.

이에 연구팀은 저온?저압에서 전도성 접착제를 이용, 머리카락 굵기보다 작은(30μm×60μm) 마이크로 LED 수천 개를 유연기판 위에 집적하는 데 성공했다. 이는 산술적으로 신용카드보다 작은 기판(5cm x 5cm)에 100μm 간격으로 60 만개의 마이크로LED를 배열할 수 있는 수준으로, 기존의 상용화된 기술을 사용했을 때에 비해 20배 이상 집적도를 높일 수 있다.

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 줄일 수 있었다.

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

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

구체적으로 금속 회로가 패터닝된 유연기판에 투명한 점탄성체 고분자 소재인 전도성 접착제를 코팅, 전사공정을 통해 소자와 기판을 결합한다. 한편 금속나노입자는 고분자 접착제의 안정성 및 습윤성을 조절, 초소형 전자소자의 전기적 연결과 고밀도 집적을 돕는 역할을 한다.

본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 뇌과학원천기술개발사업과 삼성전자 삼성미래육성사업 지원으로 수행되었으며, 연구 성과는 소재분야 국제학술지‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 4월16일(목) 표지 논문으로 게재되었다.