▲ 이번에 개발된 주름진 산화물 절연막을 이용한 그래핀-탄소나노튜브 절연체의 투명하고 늘어나는 소자 모식도와 실제 소자.

국내 연구진이 플렉시블 디스플레이를 뛰어넘는 늘어나는 디스플레이를 만들 수 있는 발판을 마련했다.

IBS(기초과학연구원, 원장 오세정) 나노구조물리연구단 이영희 단장(성균관대 교수) 연구팀은 주름진 산화막이 깨지지 않고, 최대 20%까지 늘려도 작동할 수 있는 전자소자를 개발했다.

휘어지고 접을 수 있는 전자소자를 뛰어넘어 늘어나는 소자를 구현하기 위해, 나노 물질을 이용한 연구가 활발히 진행 중이다. 그래핀과 탄소나노튜브는 우수한 전자 이동 특성과 변형에 견디는 특성이 있다. 하지만, 절연막으로 사용되는 산화물이 쉽게 깨져 늘어나는 소자를 만드는데 한계를 겪어왔다.

이에 이 단장 연구진은 전사 과정을 통해 만든 주름진 산화막이 늘어나는 절연막 층으로 이용될 수 있음을 밝혀내, 투명하고 늘어나는 전자소자를 개발할 수 있는 가능성을 열었다.

이번 연구는 이 단장 연구팀의 채상훈 박사과정생이 제1저자로 수행했으며 미국 피츠버그대학교, 캘리포니아 대학교 연구자들이 참여해 협력연구를 진행했다.

나노 두께의 평평한 산화막층은 휘어짐에는 견딜 수 있지만 늘리면 쉽게 부서지고, 고분자를 이용한 절연막은 늘렸을 때 견딜 수 있지만 누설전류가 심하다는 문제점이 있었다. 결국 늘어나는 전자소자의 성공 여부는 늘어나는 절연막 선택이 핵심이라 할 수 있다.

이 교수팀은 구리기판 위에 고 유전율 산화막 물질인 알루미나(Al₂O₃)를 증착시키고 메타크릴 수지(PMMA) 고분자를 코팅 한 후, 구리를 녹이는 용액을 이용해 구리기판을 제거했다. 이 과정 중에 알루미나층은 변형력 이완으로 주름진 모양을 가지게 된 것이다.

이 주름진 산화막을 그래핀으로 이루어진 전극 위에 전사해 트랜지스터의 절연막으로 사용했으며, 그 후 반도체 탄소나노튜브를 전사해서 산화막이 깨지지 않고, 주름진 형상 때문에 주름이 펴지면서 최대 20%까지 늘릴 수 있는 전자소자를 완성시켰다.

연구팀은 또 산화물의 주름은 자연적으로 형성되었기 때문에 여러 방향으로 늘렸을 때에도 잘 견딘다는 것을 증명했다. 기본 전자소자의 단위인 트랜지스터의 모든 부분(전극, 전자 통로, 절연막)이 변형에 견디는 재료로만 이뤄졌다는 점에서 세계 최초로 진정한 의미의 늘어나는 소자가 개발된 것이라 평가할 수 있다.

또한 이 모든 재료가 투명하기 때문에 완성된 소자도 80%의 투과도를 가졌다.

이영희 교수는 “이 연구는 그래핀 및 탄소나노튜브와 같은 꿈의 신소재의 전자소자로의 응용 폭이 대폭 확대됐다”며 “휘어지는 것을 넘어 늘일 수도 있는 투명한 소자 및 디스플레이, 접이형 컴퓨터, 의복형 컴퓨터, 피부에 붙이는 센서 등 미래 소자로서의 무한한 활용 가능성을 열었다”고 연구의 의의를 밝혔다.

한편, 이번 연구 결과는 영국에서 발간하는 세계적 권위 학술지인 ‘네이처 머터리얼즈 Nature Materials’ 3월호(3월 4일자 온라인)에 게재됐다.