▲ PET, PES, PI 및 종이기판에 제작된 인쇄형 유연 구리배선 기반 capacitor와 반복벤딩 특성.

가격경쟁력과 전기전도성이 높은 구리나노입자로 플렉시블 디스플레이, 스마트폰 등에 쓰이는 전자회로를 만들 수 있는 전극 제조기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국화학연구원(원장 이규호) 최영민·정선호 박사 연구팀은 산화막이 표면에 형성되는 것을 막아주면서 나노입자를 합성할 수 있는 구리나노입자 합성기술과 1000분의 1초 단위의 광열처리 기술을 통해 공기 중에서 인쇄형 구리배선을 연속으로 제조할 수 있는 기술을 개발했다.

구리나노입자의 표면에 산화막이 형성되면 전기가 잘 흐르지 않기 때문에 전자배선에 쓰이는 구리나노입자의 표면 산화막을 방지하는 것은 중요하다.

광열처리 기술은 기존 열에너지를 이용하는 열처리 공정과 달리 순간적인 광조사를 통해 나노입자기반 박막의 물리적·화학적 특성을 변화시키는 기술이다.

이번 연구는 가격경쟁력이 우수한 구리나노입자 소재활용에 한계점이었던 산화막 형성을 극복하고, 추가적인 공정 없이 일반 공기 중에서 연속적으로 제조하는 기술을 제시함으로써, 미래 유연소자용 배선을 높은 전도성을 확보하면서도 저가로 간편하게 제조할 수 있다는 데 의미가 있다.

또한 이번 연구를 통해 제시된 공정기술은 생산성이 높은 롤투롤(roll-to-roll) 공정기술에 적용이 가능하며, 순간적인 광조사를 통해 구리입자의 확산 움직임을 적층소자구조에서 효율적으로 제어해 우수한 성능의 소자를 제작할 수 있음을 규명했다.

이번 연구성과는 국내 전자소자 회사 2곳에 기술이전 돼 상용화가 2~3년 내에 이루어질 예정이며, 추가적인 상용화 연구를 진행하고 있다.

향후, 구리나노입자 기반 유연 전도성 전극이 적용될 수 있는 플렉시블 전자소자 시장은 2018년까지 150억달러(10조6천억원)으로 성장할 것으로 기대되고 있다.

최영민 박사는 “은나노입자 기술은 가격이 비싸고, 기존 구리입자 기술은 열처리 온도가 높아 유연기판에 적용하기 어렵고 산화방지를 위해 비활성 가스도 주입해야 하는 등 공정상의 제약이 있었다”며 “이번 연구를 통해 터치스크린, 전자파 차단 필름 등에 쓰이는 연성회로기판의 전자회로를 보다 저렴하고 효율성이 높은 구리나노입자 기반의 인쇄형 전극으로 제조할 수 있게 돼, 미래 플렉시블 전자산업에 획기적인 역할을 할 것으로 기대된다”고 연구의의를 밝혔다.

정선호 박사는 “구리 전자잉크를 바탕으로 섬유, 의류 등에 적용이 가능하도록 쉽게 늘어날 수 있는 회로를 3D프린팅으로 인쇄하는 기술을 추가 개발하고 있다”며 현재 수행하고 있는 연구도 소개했다.

한편 최영민·정선호 박사가 주도하고 오상진·조예진 연구원이 주저자로 참여한 이번 연구결과는 영국왕립화학회 나노스케일 (Nanoscale)지 최신호 (2015년 2월21일) 내부 표지 논문으로 선정됐다.