THEME03
2016. 4., Vol. 56, No. 4 ● 41
기계적 손상 없이 나노박막을 전사하는 기술
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김 재 현 한국기계연구원 나노역학연구실 책임연구원 ㅣ e-mail : [email protected] 장 봉 균 한국기계연구원 나노역학연구실 선임연구원 ㅣ e-mail : [email protected] 이 학 주 한국기계연구원 파동에너지극한제어연구단 단장 ㅣ e-mail : [email protected]
이 글에서는 나노박막의 역학적 거동 및 파괴 거동의 이해를 기초로, 기계적 손상 없이 나노박막을 전사하는 공정, 장 비 및 이의 응용에 관해 설명한다.
THEME
지난 수십 년간 전자소자 분야에서는 그 집적도를 증 가시키는 연구가 집중적으로 진행되어 왔으나, 최근에 는 집적도 향상과 더불어 다기능성을 부여하기 위한 이 종 소자 하이브리드 연구 및 기계적인 유연성을 증가시 키기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히 기계적 인 유연성을 증가시키는 연구는 전자소자를 딱딱한 기 판에서 벗어나도록 하여, 인체와 같은 자유 곡면에 부착 이 가능한 전자소자, 신문지처럼 둘둘 말거나 접을 수 있는 전자 기기, 혹은 얇은 필름처럼 주방용기나 각종 가구류에 부착이 가능한 전자 기기의 실현을 통하여 새 로운 시장의 창출이 가능할 것으로 기대된다.
전자소자의 유연성을 증가시키는 연구는 크게 두 가 지 방향으로 나눌 수 있다. 첫 번째 방향은 반도체 소재 를 유연한 것으로 바꾸는 연구이다. 기존의 반도체 소재 로 가장 널리 사용되던 단결정 실리콘은 파손이 일어나 는 임계 변형률이 1~2% 수준으로 매우 작다. 이에 따라 기계적인 변형이 발생하면 쉽게 파손이 일어나기 때문 에, 유연 전자 소자에 적용하기 어려운 면이 있다. 이를 해결하기 위하여, 임계 변형률이 큰 유기물 반도체를 이 용하여 유연 전자 소자를 구현하는 연구가 활발하게 이 루어지고 있다. 유기물 반도체는 유연성 면에서는 우수
하지만, 전자적인 성능과 환경조건 하에서의 신뢰성이
실리콘에 비하게 크게 떨어지는 단점이 있다. 예를 들
어, 전하를 지닌 전자나 정공의 이동속도를 나타내는 전
하이동도의 경우, 유기물 반도체는 실리콘에 비하여
1/100~1/1,000 수준에 불과하다. 고습/고온 환경에서
시간에 따른 성능 저하도 매우 심한 상태에 있다. 유기
물 반도체 소재 기술은 빠른 속도로 발전하고 있지만,
아직 실리콘 수준의 성능이나 신뢰성은 기대하기에는
어려운 수준에 있다. 이에 따라 한번 사용하고 폐기하는
일회용 유연 전자 소자나 고성능이 필요하지 않은 저부
가가치 유연 전자 기기에 먼저 적용될 수 있을 것으로
전망된다. 두 번째 방향은 이미 성능과 신뢰성이 검증된
단결정 실리콘 및 무기 반도체 소재를 이용하여 유연 전
자 소자를 구현하는 연구이다. 반도체 소자를 박막화하
면, 굽힘 모멘트에 저항하는 특성은 두께의 세제곱에 비
례하여 감소하고, 소자가 파손되기 시작하는 임계 굽힘
반경은 소자의 두께에 비례하여 감소한다. 예를 들어,
반도체 소자의 두께를 1마이크론 수준으로 줄이면 굽힘
반경이 수십 마이크론까지 줄어도 소자가 파손되지 않
도록 설계하는 것이 가능하며, 이러한 조건이 되면 소위
접을 수 있는(foldable) 전자 소자가 가능하게 된다. 반
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(a) (b) (c)
그림 1단결정 실리콘 나노박막을 폴리이미드 필름에 전사한 결과 : (a) 롤 스탬프의 하중 균일도를 제어하지 않은 경우, (b) 롤 스탬프의 하중 균일도를 제어하여 전사한 경우, (c) 하이브리드 롤 스탬프를 이용하여 전사한 경우
도체 소자를 박막화하여 유연 전자 소자를 구현하는 데 에는 고체역학적인 개념이 핵심적으로 적용되며, 반도 체 공정을 통하여 제조된 소자를 박막화하여 떼어내는 박리 기술과, 박리된 박막 소자를 유연한 기판이나 필름 위로 이동하는 전사 기술이라는 새로운 공정 기술이 요 구된다. 이 글에서는 기존 반도체 소자를 박막화함으로 써, 고성능 및 고신뢰성을 지닌 유연 전자 소자를 구현 하는 기술에 대하여 초점을 두고 소개하고자 한다.
고성능 유연 전자 소자를 구현하는 데에 필요한 박리 기술과 전사 기술을 좀더 자세히 설명할 필요가 있다.
우선, 박막화를 통하여 유연 전자 소자를 구현하는 과정 을 간단히 살펴보면 다음과 같다. 기존의 반도체 소자 공정은 실리콘이나 화합물 반도체 기판을 이용하여 고 온 및 진공 증착 및 리소그래피 공정을 통하여 소자를 제조한다. 이들 소자를 박막화하는 방법은 여러 가지가 있지만, 기존에 사용하던 실리콘이나 화합물 반도체 기 판을 동일하게 사용하는 방법이 주로 사용된다. 이러한 기판 위에 차후에 에칭이나 레이저 조사를 통하여 쉽게 제거할 수 있는 희생층(sacrificial layer)을 형성한다. 이 렇게 형성된 희생층 위에 기존의 반도체 공정과 거의 유 사한 공정으로 매우 얇은 두께의 박막 반도체 소자를 형 성한다. 박리 공정에서는 희생층을 제거함으로써, 박막 반도체 소자를 반도체 기판에서 떼어낸다. 떼어낸 박막 반도체 소자는 그 두께가 매우 얇기 때문에, 유연한 폴 리머 스탬프에 부착된 상태로 이송되어, 최종적으로 유
연한 필름 위에 부착된다. 이 공정을 전사 공정이라 부 른다. 전사 공정은 박막의 기계적 강도, 접착력, 파괴인 성치 등과 같은 역학적인 거동을 이해함으로써 높은 수 율을 얻을 수 있으며, 이 글에서는 전사 공정에 관하여 보다 자세하게 소개하고자 한다.
박막 반도체 소자의 두께가 얇아질수록 보다 유연한
소자의 구현이 가능하며, 현재는 실리콘 반도체의 경우
100nm 수준의 두께를 지니는 메모리 소자의 구현이 가
능하다. 최근에 주목 받고 있는 2차원 나노물질은 원자
층 한 층으로 구성되어 있으며, 그 두께가 1nm보다도
얇다고 볼 수 있다. 이러한 나노미터 수준의 두께를 지
닌 나노 박막을 고온 공정이 가능한 무기물 혹은 금속
기판에서 박리하여, 폴리머와 같이 유연한 모재 위로 이
동하는 기술이 바로 전사 기술이다. 이러한 전사 기술을
사용하여 나노 박막을 폴리머 위로 이동하는 경우에, 주
름, 균열 발생, 국부적 응력 집중에 의한 파손, 접힘 등
의 다양한 기계적 손상이 발생한다. 이러한 기계적 손상
을 줄이면서 나노박막을 전사하기 위해서는 나노박막
의 역학적인 거동에 대한 이해가 필요하다. 그림 1은 단
결정 실리콘 박막을 두꺼운 실리콘 기판 위에서 떼어내
어 유연한 폴리머 모재인 폴리이미드 필름 위에 전사한
그림을 나타낸다. 이러한 전사를 약 100mm(4인치) 이
상의 대면적으로 진행하기 위해서는 롤러 형태의 스탬
프를 이용하여 실리콘 기판 위에 올려져있는 나노박막
을 들어올리고, 이것을 다시 폴리이미드 필름 위에 옮기
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(a) (b)
그림 2나노박막의 롤 기반 전사 장비 : (a) 4인치급 단결정 반도체 나노박막의 롤투플레이트(roll-to-plate) 전사 장비, (b) 20인 치급 2차원 나노물질의 롤투롤(roll-to-roll) 전사 장비
는 공정이 필요하다. 그림 1(a)에서 볼 수 있듯이 전사 된 나노박막에는 롤러 진행 방향에 대하여 사선 방향의 매우 심한 주름이 발생하였고, 주름이 심한 부분에서는 접힘과 이에 따른 균열이 발생한 것을 볼 수 있다. 이러 한 주름 및 균열, 접힘이 발생한 나노박막은 전자 소자 로서의 기능을 정상적으로 수행할 수 없으므로, 전사 과 정 중에 이러한 기계적 손상을 제거하는 것이 필요하다.
그림 1(b)에는 전사 공정 중에 롤러와 박막이 선(line)접 촉하는 영역에서의 하중 분포가 균일하도록 롤러의 하 중을 제어하여 전사한 결과가 나타나 있다. 사선 방향의 심한 주름은 완전히 사라지고, 롤러 진행 방향에 수직한 여러 개의 균열들이 서로 평행하게 발생한 것을 볼 수 있다. 이것은 사선 방향의 주름이 롤러에 가해지는 불균 일한 하중에 기인한 것임을 보여주며, 이를 균일하게 함 으로써 주름을 제거하는 것이 가능하다는 점을 보여준 다. 그림 1(c)에는 롤러에 하이브리드 스탬프를 적용하 여 전사 공정을 진행한 결과가 나타나있다. 하이브리드 스탬프는 매우 강성이 작은 고무 계열의 층이 있고, 그 위에 강성이 매우 큰 폴리머 층이 있고, 그 위에 다시 나
노박막과 접촉하는 접착층이 형성된 구조를 지니고 있 다. 나노박막에 롤러로 접촉 하중을 가하면, 롤러의 원 주 방향으로 인장 변형률이 발생한다. 이러한 인장 변형 률은 나노박막에 롤러 진행 방향과 수직한 방향의 균열 을 유발한다. 하이브리드 형태의 스탬프를 사용함으로 써, 이러한 인장 변형률을 최소화할 수 있으며, 이를 통 하여 균열의 발생을 제거할 수 있다. 이외에도 전사되는 나노박막의 종류, 공정 조건, 전사 공정이 이루어지는 환경 등에 따라 다양한 기계적 손상이 전사공정 중에 나 노박막에 발생할 수 있다. 서로 접촉하는 롤러가 나노박 막에 가하는 마찰력의 증가에 따른 균열 발생이나, 입자 상의 오염물질에 의한 응력집중부에서 발생하는 파손 등과 같은 것이 자주 관찰되며, 이러한 손상들을 제거하 기 위해서는 나노박막의 역학적인 거동과 전사 공정 중 에 나노박막에 작용하는 하중에 대한 분석이 필요하다.
최근에 전사공정 중에 발생하는 이러한 기계적인 파손
현상을 고려하여, 나노박막의 롤 기반 전사 공정 및 전
사 장비를 그림 2와 같이 개발하였다. 그림 2(a)는 실리
콘 나노박막과 같은 단결정 무기 반도체 나노박막을 약
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100mm(4 인치) 스케일로 유연한 모재 위에 전사할 수 있는 장비이며, 그림 2(b)는 그래핀과 같은 2차원 나노 물질을 롤투롤 방식으로 약 500mm(20 인치) 스케일로 유연한 모재 위에 전사할 수 있는 장비이다.
매우 우수한 성능과 신뢰성을 지닌 전자 소자를 구현 할 수 있는 나노박막을 유연 모재 위에 기계적인 손상이 없이 전사할 수 있는 기술이 성공적으로 개발된다면, 향 후 유연 전자 산업, 웨어러블 전자 산업, 유연 디스플레 이 산업, 유연 태양전지 산업 등과 같이 국내 산업계가 관심을 지니는 다양한 산업 분야에 적용이 가능할 것으
로 전망된다. 가까운 장래에 그림 3(a)와 같이 마이크로 미터 수준의 무기 LED 소자를 유연한 모재 위에 전사하 여 무기 LED 디스플레이를 구현하는 기술이 OLED 디 스플레이 이후의 차세대 디스플레이 기술로서 주목을 받고 있으며, 이론적인 효율에 근접하고 있는 III-V족 화 합물 태양전지를 유연한 모재 위에 전사하여, 고효율 초 경량 유연 태양전지를 제조하여 그림 3(b)와 같은 무인 항공기 및 드론에 적용하는 연구가 산업적인 관심을 받 을 것으로 전망된다.
(a) (b)
그림 3기술의 적용 제품들 : (a) Sony 사의 고효율 고신뢰성 무기 LED 디스플레이 기술(http://warhawker.
blog56.fc2.com/blog-entry-3006.html), (b) 고효율 유연 초경량 태양전지를 사용한 미국 NASA의 무인항공기 (https://en.wikipedia.org/wiki/NASA_Helios)
