한국기계연구원이 원자층 두께의 2차원 나노소재를 웨이퍼 사이즈로 손상없이 전사할 수 있는 ‘대면적 2차원 나노소재 무손상 롤 전사기술’을 개발했다. 투명 디스플레이와 투명 반도체, 자율주행 자동차를 위한 디스플레이까지 다양한 분야에 활용될 수 있는 나노소재 전사공정을 획기적으로 개선하여 기술 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.

기계연은 나노역학장비연구실 김광섭 책임연구원이 두께가 머리카락 5만분의 1 수준인 1㎚ 이하의 2차원 나노소재를 4인치 이상의 웨이퍼 기판에 손상 없이 전사할 수 있는 기술을 개발했다고 12일 밝혔다.

롤 기반 전사공정은 전사필름 표면에 위치한 나노소재를 원하는 기판 위에 옮기는 공정이다. 롤러를 이용해 인쇄물을 찍어내듯이 나노소재를 대면적 연속공정으로 옮길 수 있는 고효율 제조기술이다.

전사공정은 옮겨야 할 나노소재가 붙어있는 전사필름(A)과 나노소재가 옮겨지는 대상 기판(B)으로 구분된다. 롤 전사는 A를 B위에 롤러 굴리듯 굴리며 A위에 있던 소재가 B위로 옮겨진다. 타투스티커를 이용해 타투를 피부에 부착시키는 과정과 비슷하다. 타투 무늬가 붙어있는 스티커를 전사필름, 타투 무늬를 2차원 나노소재 및 마이크로 소자, 피부를 대상 기판에 비유할 수 있다.

이번 기술의 핵심은 2차원 나노소재를 전사할 때 얇은 나노소재를 떼어내면서 찢어지거나 기판에 붙이면서 생기는 깨짐 등 불안정성을 제거하는데 성공한 것이다.

연구팀은 전사필름의 점착층 두께를 최적화해 박리면의 불안정성을 제거했다. 필름에서 타투 스티커를 떼서 피부에 붙일 때 아주 얇고 섬세한 스티커 모양도 훼손되지 않고 그대로 옮길 수 있는 원리를 찾아낸 것이다.

연구팀은 전사필름에서 점착층 두께에 따라 두 가지 서로 다른 손상이 일어나는 것을 관찰했다. 이를 바탕으로 전산 시뮬레이션과 실험을 통해 점착층 변형으로 인한 2차원 나노소재의 손상 메커니즘을 밝히고 점착층 두께를 최적화했다.

이번 연구성과를 활용하면 2차원 나노소재의 롤 전사 공정에서 발생하는 나노소재 손상을 기존의 약 30%에서 1%까지 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

기계연 김광섭 책임연구원은 “이번 연구성과는 2차원 나노소재 및 마이크로 디바이스 기반의 웨어러블 전자기기, 유연투명 디스플레이, 고성능 바이오·에너지 센서의 제조 단가를 획기적으로 낮출 수 있을 것”이라며 “차세대 반도체, 디스플레이, 미래차산업 등 다양한 분야에서 2차원 나노소재 기반 유연투명 전자기기를 활용한 새로운 산업 창출도 가능할 것으로 기대한다”고 말했다.