과학자들이 실온에서 인쇄 가능한 금속 산화물 박막 기술을 개발, 전자제품 제조 공정의 혁신을 예고하다

미국 노스캐롤라이나주립대학교 연구팀은 실온에서 인쇄할 수 있는 초박형, 투명하며 고전도성을 지닌 금속 산화물 박막 제조 기술을 새롭게 개발하는 데 성공했습니다. 이 기술은 스마트폰 터치스크린, 컴퓨터 디스플레이, 고온에서도 견딜 수 있는 전자 부품 등 다양한 응용 분야에서 전자제품의 제조 효율성과 다양성을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대됩니다.

액체 금속과 메니스커스 기술 달팽이형 인쇄 메커니즘 구현

전통적인 금속 산화물 박막 제조 방식은 고온 장비가 필요하고 시간과 비용이 많이 들며, 인쇄 속도도 느립니다. 이번에 개발된 새로운 기술은 액체 금속을 활용하여, 금속이 공기와 접촉할 때 자연스럽게 형성되는 금속 산화물 막을 기반으로 합니다. 이 기술은 두 장의 유리판 사이에 액체 금속을 넣고, 표면 장력으로 인해 형성되는 ‘메니스커스’를 이용해 인쇄를 수행합니다.

이 메니스커스 표면에는 금속 산화물층이 형성되어 있으며, 이는 마치 얇은 고무막이 물풍선을 감싸고 있는 것과 비슷합니다. 메니스커스가 기판 표면을 따라 움직일 때, 그 앞뒤에 형성된 산화막이 표면에 고르게 전사되어 두께 약 4나노미터에 불과한 초박형 금속 산화물 박막이 남게 됩니다. 이는 마치 달팽이가 지나간 자리에 점액 자국을 남기는 것과 유사합니다. 더욱 특별한 점은, 인쇄 과정 중 메니스커스가 지속적으로 새로운 산화막을 생성하므로 인쇄를 연속적으로 진행할 수 있다는 점입니다.

우수한 성능：투명성, 전도성, 내열성, 유연성까지

비록 박막의 두께는 매우 얇지만, 금속과 같은 전도성과 투명성을 동시에 지니고 있습니다. 연구팀에 따르면, 이 박막은 고온 환경에서도 안정적인 전기 전도성을 유지할 수 있습니다. 실험 결과, 두께 4나노미터의 박막은 최대 600°C의 고온을 견딜 수 있었으며, 두께가 12나노미터로 증가할 경우 최소 800°C까지 견딜 수 있는 것으로 나타났습니다.

또한 연구진은 이러한 금속 산화물을 유연한 고분자 기판 위에 인쇄하는 데에도 성공하여, 접을 수 있는 회로 기판을 제작했습니다. 해당 기판은 최대 4만 회의 반복 굽힘 테스트를 거친 후에도 전도성과 구조적 완전성을 유지하는 것으로 확인되었습니다.

이중 구조와 금의 활용 안정성 향상

이 금속 산화물 박막은 독특한 이중 구조를 가지고 있으며, 중심 영역은 산소 함량이 매우 적어 금속에 가까운 성질을 띠므로 우수한 전도성을 발휘합니다. 연구진은 또한, 박막에 소량의 금(Au)을 도입하면 중심 영역의 산화를 효과적으로 방지할 수 있어, 전도성을 장시간 유지할 수 있다는 사실을 밝혀냈습니다. 이는 일반적으로 금이 산화물과 결합하기 어려운 물리적 특성을 극복한 중요한 성과입니다.

다양한 응용과 미래 가능성

이 기술은 다양한 액체 금속 및 합금에 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 박막의 구성 성분을 조절하여 다양한 기능적 요구에 맞출 수 있어 높은 유연성을 지니고 있습니다. 연구진은 심지어 박막을 나뭇잎과 같은 비정형 기판에도 성공적으로 전사하는 데에 성공하여, 향후 휴대용 장치나 비전통적 디바이스 분야에서의 응용 가능성을 보여주고 있습니다.

공동 교신 저자이자 노스캐롤라이나주립대학교 교수인 마이클 디키(Michael Dickey)는 “우리는 이 기술의 지식 재산권을 보유하고 있으며, 산업계 파트너들과 협력하여 상용화 및 다양한 응용 가능성을 함께 모색하고자 합니다”라고 밝혔습니다.

이 연구는 『사이언스(Science)』 학술지에 공식 발표되었습니다.

참고 문헌

• 과학자들, 신개념 금속 산화물 인쇄 기술 개발… 전자 부품 제조의 새 장을 열다
• New Metal Oxide Printing Technique Paves the Way for Transparent, Flexible Electronics
• 「초박형 투명 유연 회로 기판의 자연 산화 환경 인쇄」,저자:：Minsik Kong、Man Hou Vong、Mingyu Kwak、Ighyun Lim、Younghyun Lee、Seong-Un Lee、Insang You、Omar Awartani、Jimin Kwon、Tae Joo Shin、Unyong Jeong 및 Michael D. 185 월，202 월 202 월 202 월 202 월 과학. DOI: 10.1126/science.adp3299

(이미지 출처: 노스캐롤라이나주립대학교–Minsik Kong)

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