신기현 교수 연구팀이 적외선 광소결 기법을 이용하여 기존 롤투롤 그라비어 공정에서 은(銀)전극의 전도성을 급격하게 향상시키는 기술을 구현했다.

건국대학교 공과대학 기계설계학과 신기현 교수 연구팀(유연디스플레이연속공정연구소)이 적외선 광소결 기법을 이용하여 기존 롤투롤(Roll to Roll) 그라비어 공정에서 은(銀)전극의 전도성을 급격하게 향상시키는 기술을 구현해 인쇄전자 산업 기술에 적극 활용될 수 있게 됐다.

이번 연구는 건국대가 2012년부터 2016년까지 독일 캠니츠공과대학(Chemnitz University of Technology)과 함께 수행하고 있는 한-독 대학 간 연계프로그램(과학기술국제화사업, 미래창조과학부 지원)의 주요 성과다.

이번 연구결과는 신기현 교수 연구팀과 캠니츠공과대학의 바우먼(R.R. Baumann) 교수 연구 그룹의 강현규 박사(건국대 96학번)가 저자로 참여해 네이처 퍼블리싱 그룹(Nature Publishing Group)이 발간하는 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)와 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발간하는 저널 오브 머터리얼즈 케미스트리(Journal of Materials Chemistry C)에 각각 2016년 10월 7일과 9월 19일자로 게재됐다.

기존 인쇄 전극 소결 기술은 열풍, 적외선, 광펄스, 자외선, 레이저 등의 공정을 이용해 전기전도성을 향상시켜왔으며 이번 연구에서는 이 기술 중 가격 및 효율 관점으로 유용한 적외선 모듈을 적용하여 기존 롤투롤 그라비어 인쇄 공정에 적용해 수십 분이 소요되는 공정을 10초 이내로 단축시켰다.

건국대 연구팀은 은 파티클의 종류에 따라 적외선 에너지가 미치는 영향을 광 에너지 관점의 이론적 접근 및 실험계획법 기반의 통계적 기법을 활용해 분석했으며, 적용된 소결 공정이 필름을 기반으로 하는 롤투롤 공정에 적용되었을 때 발생하는 웹의 장력 변화와의 관계성을 규명했다.

또 적용된 적외선 장비의 효용성은 기존 롤투롤 기반 공정과 비교했을 때 소결 시간, 소결 성능, 그리고 양산 관점에서 매우 우수한 결과임을 확인했다.

건국대학교와 독일 캠니츠공과대학은 최근 10여 년 동안 매년 단기 연구원 교류, 국제 공동 세미나, 국제 학술활동, 박사후연구원 파견 등을 수행했으며 롤투롤 기술 및 인쇄 전자 분야에서 글로벌 파트너로 긴밀한 협력관계를 유지해왔다.

거품기와 꽃 모양을 나타내는 주석이 박힌 실리콘 산화물의 성장 메커니즘 개략도 및 각각의 전자현미경 (사진. 건국대학교)

건국대학교 기계설계학과 진창현 교수(제1저자, KU연구전임)와 이동진 교수(교신저자) 연구팀은 주석 산화물 박막을 이용해 거품기와 꽃 모양의 독특한 형태를 지니고 가시광선 전 범위에서 발광특성을 가진 3차원 실리콘 산화물 마이크로/나노 구조를 합성하는데 성공했다.
3차원 꽃 모양의 실리콘 산화물의 발광특성 내용을 담은 이번 연구 논문은 세계적인 과학저널 네이처의 자매지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 온라인 판 8월 1일 자에 게재됐다.

기존 파우더의 기체 상(狀)을 이용한 마이크로/나노 구조의 합성 방법은 실험방법이 비교적 간단하고 다양한 물질을 합성할 수 있다는 장점 때문에 널리 사용되어 왔으나 소스 파우더가 주입되는 가스의 영향으로 쉽게 비산될 뿐만 아니라 대부분이 기판에 고정된 촉매로 제한되기 때문에 그 형태가 저차원(0, 1차원)에 한정됐다. 게다가 최종 생성물이 촉매를 포함하고 있는 경우가 대부분이어서 순도를 저하시키지 않게 하기 위해서는 반드시 촉매를 제거시켜야 하는 번거로움이 있었다.  

건국대 이동진 교수 연구팀은 소스 파우더와 촉매를 사용하지 않는 대신 고온에서 열분해 되는 주석 산화물을 활용한 새로운 가스 기반 공정으로 기판 성분을 주성분으로 하는 거품기와 꽃 형태의 3차원 구조를 개발하는데 성공했다.  

건국대 연구팀이 개발한 새로운 3차원 실리콘 산화물 구조에서는 기판 전체에 골고루 주입되는 주석 입자들이 실리콘 기판의 녹는점 온도를 낮출 뿐만 아니라 실리콘 산화물 내부에도 계속적으로 침투하여 촉매제의 역할을 담당하기도 한다.  

침투한 결정질의 작은 주석 입자들이 제 2상의 계층적 나노 구조 성장을 돕고 다양한 발광 특성을 나타나게 한다. 특히 주석 입자들이 침투하는 과정과 넓은 파장대별 발광 현상을 직접 동영상으로 구현함으로써 연구결과에 대한 객관성을 확보하는데 성공했다.

이러한 기체상을 이용한 새로운 합성 방법은 기판과 열분해 되는 금속 산화물의 종류에 따라 여러 가지 크기/모양/색깔을 나타내는 3차원 발광소자 구현이 가능하다는데 큰 의미가 있다.  

진창현 교수는 “간단하지만 강력한 실험 방법인 만큼 앞으로도 다양한 재료와 공정 변수를 도입함으로써 많은 재미있는 현상들을 도출할 수 있을 것”이라며 “후속 연구를 통해 다단계의 공정 없이 기능성이 부여된 3차원의 구조를 구현함으로써 상당한 원가 절감 효과를 거둘 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.