집적회로란 기판 하나에 여러 전자회로 소자를 결합해 만든 복합적인 전자소자 시스템이다. 소자가 100만 개 이상 집적된 경우, 이를 고집적회로라 부른다. 최근에는 플렉서블 기기를 제작에 필요한 플렉서블 고집적회로 개발이 주목받고 있다. 기존에는 유기물, 탄소나노튜브, 무기물 나노와이어 등이 플렉서블한 집적회로 개발에 주로 사용되었다. 하지만 이러한 소재는 리소그래피(lithogra-phy) 공정*을 적용하기 힘들어 고집적회로를 만들기 어렵다.

 

이를 해결하기 위해 이 교수 연구팀은 실리콘을 기반으로 플렉서블 고집적회로를 제작하려 했고, 지난 2013년 이를 개발하는 데 성공했다. 하지만 당시의 생산 방식은 단위 공정을 따로따로 진행해 시간, 비용 측면에서 비효율적이었다.

 

또한, 이 방식은 플렉서블 소자를 대량생산할 때 주로 사용하는 롤투롤(roll-to-roll) 공정**을 적용하기 어려웠다. 실리콘 기반 고집적회로를 생산하려면 실리콘 단결정(single crystal silicon)을 만들어야 한다. 실리콘 단결정에 리소그래피 공정으로 소자를 형성하기 때문이다. 하지만 실리콘 단결정은 1000℃ 이상의 고온 환경에서 제작할 수 있다. 이는 플렉서블 기판을 구성하는 플라스틱의 녹는점보다 높으므로, 플렉서블 기판 위에 집적회로를 구성하는 소재를 얹어 소자를 완성하는 기존 방식에는 롤투롤 공정을 적용할 수 없다.

 

연구팀은 플라스틱 기판 위에서 소자를 만드는 대신, 이미 완성된 소자를 플라스틱 기판에 올리는 방법으로 이를 해결했다. 연구팀은 우선 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)에 리소그래피를 비롯한 공정을 적용해 소자를 완성했다. 실리콘 웨이퍼란 실리콘 단결정으로 이루어진 얇은 판으로, 실리콘 기반 집적회로의 토대로 사용된다. 실리콘 웨이퍼는 두께가 600~700μm 정도로 두꺼워 휘어지지 않는다. 연구팀은 소자가 집적된 실리콘 웨이퍼에 휘어짐을 방지하는 임시 기판을 부착하고, 이를 식각해 두께가 3~10μm인 휘어지는 실리콘 소자를 만들었다. 이렇게 만들어진 소자를 단위 소자 크기로 잘라 플라스틱 기판으로 옮기면 플렉서블 고집적회로를 만들 수 있다. 이 방법은 플라스틱 기판 위에 실리콘 단결정을 형성하는 과정이 없으므로 기존 공정처럼 고온 환경이 필요하지 않아 롤투롤 공정을 사용할 수 있다. 

 

이 과정에서 연구팀은 한 방향으로만 전기가 통하는 이방성 전도 필름(anisotropic conductive film)을 이용해 고집적회로를 패키징했다. 패키징(packaging)이란 소자를 보호하고, 전기적 신호를 전달할 수 있는 통로를 만들어 포장하는 과정을 말한다. 이방성 전도 필름을 사이에 두고 기판과 소자를 마주 보게 한 뒤 열과 압력을 가하면 소자를 기판에 부착하고 전기적으로 상호 연결할 수 있다. 연구팀은 이러한 방법으로 여러 차례 휘어져도 저장된 정보를 잃지 않는 낸드 플래시 메모리(NAND flash memory)를 만드는 데 성공했다.

 

이번 연구는 식각 공정을 실리콘 웨이퍼 수준에서 진행함으로써 플렉서블 고집적회로 생산에 롤투롤 공정을 적용할 수 있게 만들었다는 점에서 의의가 깊다. 연구에 참여한 신소재공학과 김도현 학우는 “실리콘 기반 플렉서블 고집적회로의 기존 생산 공정은 단위 소자에서 공정을 진행해 대량 생산이 어려웠다”라며 “이번 기술은 대량 생산을 가능하게 했다는 점에서 의미가 크다”라고 밝혔다.