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"웨어러블·생체 의료기기 문제점 해결하겠습니다"
[기사입력 2020/06/01 06:33]
김태일 교수
성균관대 화학공학·고분자공학과

"마이크로 LED 집적도 한계 돌파해 생체 의료기기에 활용합니다"

이는 최근 유연 전자소자 고밀도 집적에 적용하능하고 연꽃에서 힌트 얻은 전도성 접착제 개발한 성균관대학교 화학공학·고분자공학과 김태일 교수의 기대다.

김 교수는 최근 초소형(전극 15μm) 전자소자의 고밀도 집적을 위한 전도성 접착제를 개발했다.

최근 소자의 집적도는 기하급수적으로 증가하고 있지만 유연한 기판에서 마이크로미터 크기의 소형화된 전자소자에서의 적용은 고온고압 공정, 느린 처리속도, 약한 물리적 안정성 등으로 사용이 매우 힘들다.

이를 타개하기 위해 금속 코팅 고분자 볼, 여러 겹의 ACF, 액체 금속 잉크 등을 이용한 다양한 연구가 진행되고 있지만, 여전히 그 기대치에는 못 미치는 상황이다.

특히 마이크로 LED는 크기가 작고 매우 고집적화되어 마이크로 LED가 가지는 수 마이크로미터 크기의 전극을 역시 수 마이크로 크기의 기판 전극과 연결시켜 주는 기술이 가장 큰 문제점으로 알려져 있다.

이 같은 상황이 김 교수가 이번 연구를 하게끔 만들었다.

김 교수는 "최근에 전자소자의 집적도가 기하급수적으로 증가하고 있으며 구성요소는 마이크로미터 수준으로 작아지고 다기능 고성능 소자를 위해서 제한된 기판 위에 이를 고밀도로 집적해야만 한다"며 "현재 기술은 그 한계가 뚜렷하기 때문, 마이크로미터 크기의 초소형 전자소자를 유연 기판 위에 집적하기 불가능하기에 이를 해결하고자 유연 기판 위에 전자소자를 고밀도, 대면적으로 집적 가능한 비등방성 전도성 접착제를 연구하고자 생각했다"고 말했다.

김 교수는 저온·저압에서 전도성 접착제를 이용, 머리카락 굵기보다 작은(30μm×60μm) 마이크로 LED 수천 개를 유연기판 위에 집적하는 데 성공했다.

신용카드보다 작은 기판(5cm x 5cm)에 100μm 간격으로 60 만개의 마이크로 LED를 배열할 수 있는 수준으로 기존 상용기술 대비 20배 이상 집적도를 향상시킨 것이다.

비결은 고분자 접착제와 나노금속입자로 만든 전도성 접착제를 이용해 소자와 소자 또는 소자와 전극을 수직으로 연결한 것이다.

스핀코팅이나 UV 노광 같은 비교적 간단한 공정을 이용하는데다 공정의 온도와 압력을 100℃, 1기압 이하로 내려 기판에 미치는 물리적 영향을 줄였다.

그 결과 수 천 개 이상의 초소형 마이크로 LED를 99.9% 이상의 고수율을 유지하며 대면적으로 전사할 수 있었다.

나아가 급격한 온도 변화에 의한 열충격이나 고온다습 환경에서의 신뢰성에 대한 테스트를 통해 결합의 안정성을 확인했다.

김 교수에 따르면 기존 기술들은 고온고압 공정, 느린 처리속도, 약한 물리적 안정성 등의 문제로 인해 마이크로미터 크기의 전자소자를 유연 기판 위에 집적하기 힘든 상황이었다.

하지만 이번에 개발한 비등방성 전도성 접착제는 유연 기판 위에서도 저온저압 공정을 통해 마이크로 전자소자의 대면적, 고밀도 집적이 가능하며 외부 충격과 급격한 온·습도 변화에도 뛰어난 안정성을 보였다.

하지만 이 연구 결과가 당장 상용화하기에는 무리가 있다.

이 기술은 유연 기판 위에 마이크로미터 크기의 전자소자를 저온저압 공정을 통해 고밀도로 집적할 수 있다는 장점은 매우 획기적인 장점이다.

또 최근 유연한 웨어러블 전자소자, 생체 사용이 적합한 의료용 기기 등에 대한 관심이 나날이 높아지고 있는데, 본 비등방성 전도성 접착제는 앞서 언급한 장점으로 인해 이를 위한 중요 요소기술로 활용될 수 있다.

아울러 현재 대형 디스플레이를 위한 기술로 활발히 연구되고 있는 대면적 마이크로 LED 디스플레이의 고밀도 집적에 새로운 가능성을 제시할 수 있다.

다만 넓은 면적에 본 비등방성 전도성 접착제를 균일하게 코팅하는 기술과 접착제에 포함된 도전 입자의 크기 균일성은 실용화를 위해 추가로 연구가 필요해 보인다.

그럼에도 불구하고 김 교수는 이 기술의 상용화에 기대를 걸고 있다.

그는 "고분자 접착제의 조성, 도전 입자의 표면 개질 등을 통해서 대면적 전자소자 집적의 수율을 개선해 대형 마이크로 LED 디스플레이 상용화 시장에 진출하고자 한다"며 "또 유연 기판에 비등방성 전도성 접착제를 다기능 웨어러블 소자, 생체 삽입형 소자 등에 적용하면 기존에 연구에서 발견된 다양한 문제점들이 해결될 것"이라고 말했다. 

 
강찬우 기자  ehealth@e-healthnews.com
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