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투명 태양전지, 롤업 디스플레이, 웨어러블 디스플레이, 그래핀 소자 등 차세대 전자소자 대부분은 종이와 같은 유연성을 지향한다. 이런 소자들을 저렴하게 대량 생산할 수 있는 소재와 공정기술 확보에 미래 전자소자 시장의 패권이 달려 있다고 해도 과언이 아니다.
최근 국내 연구팀이 그 같은 플렉시블 세상을 현실화할 원천기술 개발에 성공했다. 한국화학연구원 화학소재연구본부 최영민 박사팀의 '전도성 구리 나노입자 기반 전극 제조기술'이 그것이다.
그동안 플렉시블 전자소자는 고가의 은나노 입자를 값비싼 진공증착 공정을 통해 유연한 기판에 증착시켜 전극을 형성하는 방식이 주를 이뤘다. 이 때문에 높은 생산단가가 상용화의 한계로 지적돼왔다. 그 대안으로 제시된 것이 잉크로 신문을 인쇄하듯 저렴한 구리 나노입자를 유연한 기판에 인쇄해 전극을 형성하는 공정이다. 다만 이 또한 구리 나노입자 합성시 입자 표면에 산화막이 생성돼 전기 전도성이 약화되는데다 유연한 기판에 고온 열처리된 구리입자의 인쇄가 어렵다는 등 치명적 난제가 있었다. 최 박사는 "이번 연구성과는 이 모든 문제를 해결해 가격경쟁력과 우수한 전도성을 갖춘 대면적 플렉시블 전극을 대량 생산할 길이 열렸다는 점에 가치가 크다"고 설명했다.
연구팀은 캐핑(capping) 고분자의 화학적 거동을 제어해 산화막 형성을 억제하는 구리 나노입자 합성기술을 개발했다. 또 열에너지가 아닌 빛을 1,000분의1초 단위로 조사(照射)하는 광열처리 기술을 채용해 추가 공정 없이 공기 중에서 롤투롤 방식으로 구리전극을 연속적으로 인쇄할 수 있는 기술적 토대를 완성했다.
이를 바탕으로 현재 최 박사팀은 나노박막코팅 전문기업 엔젯과 전자부품 업체 고려이노테크에 관련 기술을 이전, 2~3년 내 상용화를 목표로 기술고도화를 지원하고 있다. 이 중 엔젯은 구리 나노잉크 전극을 이용해 스마트폰과 노트북, 태블릿PC용 터치센서 시제품을 개발한 상태다. 고려이노테크는 구리 나노잉크 전극을 활용해 그동안 전량 수입에 의존해온 플렉시블 전자파 차폐필름 국산화 연구가 한창이다. 올해 말과 내년까지 각각 15㎝와 A4 사이즈의 시제품을 선보인다는 게 이 회사의 계획이다.
연구팀은 구리 나노입자 기반 전극인쇄 기술의 산업적 응용성 확대에도 매진하고 있다. 최 박사는 "섬유나 의류에도 적용 가능한 3차원 인쇄 기술을 추가로 확보하려 한다"며 "최근 선정된 미래창조과학부 글로벌연구실사업을 통해 3D프린팅 공정기술의 대가로 꼽히는 미국 하버드대 제니퍼 루이스 교수팀과 6년간의 국제 공동연구를 시작했다"고 밝혔다. 연구팀의 최종 목표는 최 박사팀의 기능성 구리 나노잉크와 루이스 교수팀의 3D프린팅 공정기술을 결합한 마이크로 로봇, 마이크로 센서, 의료기기 등의 제작이다. 최 박사는 "구리 나노입자 기반의 전극이 쓰일 수 있는 플렉시블 전자소자 시장은 오는 2018년 150억달러(약 10조6,000억원) 규모의 대폭적 성장이 예견된다"며 "다양한 구조의 전자소자를 제작할 기반기술인 3차원 인쇄공정 개발에 성공한다면 막대한 부가가치를 기대할 수 있다"고 강조했다. /대덕=구본혁기자 nbgkoo@sed.co.kr
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