서울대학교 공과대학은 전기·정보공학부 홍용택 교수 연구팀이 고신축성·고유연성 전극/기판에 마이크로 LED 등의 미세 전자 소자를 물리적·전기적으로 연결하는 ‘위치 선택적 집적 기술(A site-selective integration strategy)’을 개발했다고 밝혔다.

▲ 왼쪽부터 서울대 전기·정보공학부 윤형수 박사, 정수진 박사, 홍용택 교수, 스탠포드 박사후 연구원 이병문 박사(현 DGIST 교수)  ©

이번 연구 결과는 전자 분야의 세계 최고 학술지 ‘네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)’에 5월호 표지논문으로 게재됐다.

스트레처블 디스플레이, 전자 피부 등 유연성 및 신축성 전자 분야에서는 단단한 물성을 가진 전자 소자를 부드러운 물성을 가진 전극/기판에 물리적·전기적으로 연결해야 한다. 그러나 기존의 이방성 도전 필름 등은 자체의 단단한 물성으로 인해 전극/기판의 신축성과 유연성을 저하시키고, 반면에 부드러운 물성의 접착제는 물리적 연결의 안정성이 낮은 문제가 있다. 또한, 소자의 크기가 점차 줄어들면서 좁은 간격의 전극 단자 사이에 전기적 단락 없이 소자와 회로를 연결하는 것이 어려워졌다.

연구팀은 이러한 문제에 대응해 새로운 소자 집적 방식인 ‘위치 선택적 집적 기술’을 개발했다. 이 기술은 딥-트랜스퍼(Dip-transfer) 코팅을 통해 소자의 크기와 종류에 관계없이 소자에만 선택적으로 접착 물질을 패터닝하고, 자기장을 이용해 접착 물질에 섞인 강자성체 입자의 분포 조절을 통해 이방성 전도체를 형성해 소자와 회로/기판 사이의 물리적·전기적 연결을 가능하게 했다.

특히, 단단한 물성의 접착제 영역을 최소화함으로써 전극/기판의 신축성과 유연성을 극대화할 수 있었다. 결과적으로 이 기술은 현재까지 보고된 마이크로 LED 어레이 중에서 가장 우수한 신축성과 유연성을 보였으며, 전극/기판의 물성에 상관없이 집적 기술을 적용할 수 있어 structure-based/intrinsically 스트레처블 전극을 포함한 임의의 전극에 광범위하게 전자 소자를 집적할 수 있었다.

또한, 수직 방향 자기장에 의해 기둥 형태로 형성된 자기 조립 전도체는 소자와 전극 사이를 전기적으로 연결함과 동시에 기둥 사이에 발생하는 척력으로 수평 방향의 전도를 방지해 전극 단자 사이에서 발생 가능한 전기적 단락을 효과적으로 억제했다.

이번 연구를 통해 연구팀은 제안한 방식으로 마이크로 IC 구동부와 LED 표시부를 하나의 플렉시블 PCB에 집적해 초소형 웨어러블 디스플레이/센서 시스템을 성공적으로 구현했다. 이는 기존에 상용화된 마이크로 IC 칩 중 가장 작은 칩 하나의 크기보다도 작은 크기로, 미래의 고성능 및 고유연성 마이크로 전자 시스템의 구현 가능성을 입증했다.

홍용택 교수는 “이번 연구는 유연·신축 시스템의 기계적 특성을 극대화하면서 고성능 마이크로 전자 소자를 체계적으로 집적할 수 있는 기술을 개발했다는 데 의의가 있다”며 “향후 플렉서블, 스트레처블 기기 상용화에 기여할 것”이라고 말했다.