생명화학공학과 임성갑 교수와 전기및전자공학부 유승협 교수, 전기및전자공학부 조병진 교수 공동 연구팀이 매우 얇고 잘 휘어지는 고분자 절연막 제조 공정을 개발하는 데 성공했다. 이번 연구를 통해 사물인터넷 시대에 한걸음 더 다가갈 수 있을 것으로 기대된다. 관련 논문은 지난 3월 10일 재료과학 분야 저명 학술지인 <네이처 머티리얼스(Nature Materials)> 온라인 속보판에 게재되었다.

소자는 크기가 작고 유연해야 해
최근 유연하고 크기가 작은 전자 기기를 만드는 기술이 크게 주목받고 있다. 또한, 이를 위해 유연하고 작은 전자 소자를 개발하는 연구도 활발히 진행되고 있다. 이때 기기에 필요한 전자 소자에 쓰이는 소재는 소자의 전기적 특성을 손상하지 않으면서 유연하고, 크기가 작아야 한다. 하지만 이를 모두 동시에 만족하는 소자를 만들기는 무척 어려워 학계의 많은 관심을 받았다.

무기물 또는 유기물로 만드는 절연막
전자 기기 내부에는 전기 회로와 전류를 제어하기 위한 절연막이 필요하다. 이전까지 절연막을 만드는 방법은 두 가지로 나뉘었다. 무기물로 제작하는 방법과 액체 고분자 물질로 제작하는 방법이다.
무기물로 만든 절연막은 전류를 잘 차단하는 등 전기적 성능이 우수하다. 하지만 무기물 절연막은 고온에서 만들어야 해 절연막을 만들기 위한 부품이 온도를 견디지 못하는 문제가 있다. 또한, 무기물은 유연하지 않아 유연성이 필요한 분야에 활용하는 데 한계가 있다.
반면 액체 상태의 고분자 박막은 비교적 낮은 온도에서 절연막을 만들 수 있으며 유연하다. 그렇지만 이렇게 만든 절연막은 제작할 때 사용되는 첨가제나 잔존 용매와 같은 불순물을 제거하기가 매우 어렵다. 또한, 고분자 물질은 대체로 무기물보다 절연성이 떨어져 상대적으로 전류를 잘 막지 못한다.

가교 처리 통해 절연성 높여
연구팀은 먼저 고분자 물질의 절연성을 높였다. 고분자 박막이 무기물 박막보다 절연성이 떨어지는 이유는 그 구조가 치밀하지 않아 전류가 흐를 수 있는 공간이 생기기 때문이다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 가교(cross linking)*가 많이 이루어진 유기 규소계 유기물을 절연막의 재료로 사용했다. 가교 처리를 통해 유기물의 구조를 치밀하게 만들어 절연성을 높인 것이다.

기체 유기물 이용해 만든 얇은 절연막
또한, 연구팀은 유기물을 액체상태가 아닌 기체 상태로 만들어 iCVD(initiated Chemical Vapor Deposition)** 공정에 활용했다. 기판 온도를 낮추고 그 위에 기체를 주입했을 때 기판 위로 얇은 막이 생기는 현상을 활용한 것이다. 이 현상을 이용하면 액체 물질로 막을 제작할 때와 달리 첨가제나 유기 용매가 필요하지 않아 불순물이 남을 가능성도 작다. 또한, 표면장력 때문에 입자가 뭉치는 액체와 달리 기체는 표면장력의 영향을 거의 받지 않아 막을 균일하게 만들 수 있다. 즉, 연구팀의 방법을 이용하면 유연하고 전류를 잘 차단하면서도 매우 얇은 막을 생산할 수 있다. 실제로 연구팀은 두께가 10nm 이하여도 절연 성능이 우수한 박막을 개발하는 데 성공했다.

임성갑 교수는 앞으로 다양한 연구를 통해 절연막의 성능을 더욱 높일 뿐만 아니라, 개발한 절연막을 여러 소자에 적용하는 연구를 할 예정이라고 밝혔다. 또한, 임 교수는 “이번 연구는 플렉서블 기기에 필요한 고성능의 고분자 절연막을 개발했다는 점에 의의가 있다”라고 말했다.

가교*
두 원자 또는 두 개의 고분자 사슬 사이를 연결하는 화학 결합. 가교 처리를 많이 거치면 분자 구조가 치밀해진다

iCVD**
개시제로 단량체의 중합을 촉진하는 공정. 이때 개시제와 단량체는 기체 상태로 주입되며, 중합 반응이 일어나는 기판의 온도는 비교적 낮다