기능성 박막 연구실, Functional Thin Films Lab (FTFL)에서는 개시제를 이용한 기상 증착 공정, initiated chemical vapor deposition (iCVD) 이라는 새로운 고분자 박막 증착 공정을 활용하여 신개념의 고분자 박막 및 구조체를 개발하고 있습니다. iCVD 공정은 기존의 액상 공정으로는 불가능했던 여러 형태의 기능성 고분자 박막을 합성하는 것을 가능케 하는 신기술입니다. 용매나 첨가제를 사용하지 않기 때문에 초고순도의 고분자 합성이 가능하며, 이는 전자재료로의 응용에 있어 결정적인 역할을 할 수 있습니다. 탁월한 조성 제어 능력과 더불어 우수한 피복단차 균일도 덕분에 표면의 복잡한 구조를 그대로 유지하면서도 원하는 표면 특성만을 선택적으로 개질/부여할 수 있습니다. 본 공정은 용매를 사용하지 않는 상온 공정이기 때문에 종이나 옷감, membrane과 같이 열이나 용매에 취약한 다양한 기판에도 손상 없이 멸균성, 초발수성, 절연성, 온도감응성 등과 같이 다양한 기능을 갖는 고분자 박막을 도포할 수 있습니다. 무엇보다도 단일 증착 공정으로서, 공정의 제어가 용이하며 60여 종 이상의 다양한 고분자 물질 library가 확보되어 있습니다. iCVD 공정은 이러한 독특한 장점으로 인해 산업계로부터 많은 관심을 받고 있으며, 국내에서는 FTFL 연구진에서만 유일하게 그 기술을 확보하고 있습니다. FTFL 연구팀에서는 이러한 장점을 갖는 iCVD 고분자 박막을 활용하여 1) 유연전자소자, 2) 의료용 생체재료, 3) 기능성 membrane 등 다양한 차세대 소자 개발에 대한 연구를 수행하고 있습니다.

□ 초박막 고분자 절연막

절연막은 차세대 유연전자소자의 구동에 있어 결정적인 역할을 하는 박막 트랜지스터 (thin film transistor, TFT)에서의 핵심 소재입니다. 본 연구실에서는 iCVD 공정을 활용하여 현존하는 유기물 기반 절연소재 가운데 가장 우수한 절연 성능을 지닌 초박막 유연성 고분자 박막 합성에 성공하였습니다. 이를 통해 유기물 기반 소재로는 불가능하다고 여겨졌던 영역인 10 nm 이하의 초박막 두께에서도 무기물 절연소재에 필적하는 수준의 절연 성능을 구현하는 것이 가능하다는 사실을 세계 최초로 증명하였습니다. 또한 본 절연막은 고분자 특유의 탁월한 유연성 역시 겸비하고 있음을 확인하였으며 이를 유연성 트랜지스터 제작에 적용하여, 2V 이하의 구동 전압, 그리고 2% 이상의 높은 변형에서도 동작이 가능한 고성능의 저전력 트랜지스터의 개발에 성공하였습니다.

 

□ 고유연성 기체차단 봉지막

OLED display 모듈은 수분이나 산소로 인해 소자의 손상이 빠르게 일어나기 때문에, 이를 차단할 수 있는 봉지 기술의 적용이 필수적입니다. 또한 유연성이 탁월한 봉지 기술의 개발은 OLED를 활용한 디스플레이 업계에서는 반드시 확보해야 하는 핵심 기술입니다. FTFL 연구팀은 무기막과 유기막의 교차 증착을 통해 형성된 유/무기 복합막의 구조를 도입하여 우수한 봉지 성능을 갖는 유/무기 복합 봉지막의 개발에 성공하였습니다. 또한 기계적 유연성 역시 탁월하여 곡률 반경 10 mm에서도 봉지 특성의 유지가 확인되었으며, 봉지막의 적용 과정에서의 소자 손상이 없음이 확인되었습니다. 이를 통해, 다양한 유기전자소자에 직접적으로 적용이 가능한 고성능의 유연성 봉지막의 개발에 성공하였으며, 관련분야의 장비, 증착 기술, 및 봉지막 구조 관련 일체의 지적 재산권을 확보하였습니다. 관련 분야의 고속 성장 추세를 고려할 때 본 연구는 향후 고유연성 디스플레이 개발 분야에 있어 핵심 요소 기술로 적용이 기대됩니다.

 

□ Sub-100 nm의 초박막 순간 접착제

FTFL 연구팀은 우수한 유연성을 부여할 수 있으면서도 높은 수준의 투명도 역시 겸비된, 세계에서 가장 얇은 두께의 강력 접착제를 개발하였습니다. 기존의 접착제는 큰 점성 때문에 얇게 만드는 것이 불가능한 반면, 본 기술에서는 기상증착 공정을 적용함으로써 접착제의 두께를 100 nm 이하로 대폭 낮추는 데에 성공하였습니다. 고반응성의 에폭시 계열 물질을 적용함으로써 100 ℃ 수준의 낮은 가교 온도에서 접착제의 가교 시간을 1분 이하로 획기적으로 낮추면서도 기재의 손상 우려 없이 높은 접착 강도를 유지할 수 있었습니다. FTFL 연구팀은 본 연구를 통해 초박막 접착제 관련 원천 기술을 확보하고 있습니다.

 

□ 조직공학 및 분자진단 센서에 응용 가능한 표면처리 소재 개발

iCVD 공정을 통해 얻을 수 있는 고분자 박막의 종류는 60여 종 이상이며, 이들간의 조성을 적절히 제어하면 무수히 많은 조성 조합의 다양한 기능기를 갖는 다목적의 고분자 박막 표면의 제작이 가능해집니다. FTFL에서는 이러한 특성을 활용하여 다양한 종류의 기능성 고분자 박막을 생체 재료의 표면 개질을 위해 도입하는 연구를 수행함으로써 기존의 접근 방식으로는 불가능했던 여러 종류의 흥미로운 표면 특성을 부여하는 데에 성공하였습니다. 이를 활용하여 종이나 전기방사 고분자 mesh 등과 같은 다공성 표면에 생체적합성 iCVD 고분자 박막을 도임합으로써 골조직, 심근조직 등의 성공적인 재생이 가능한 재료를 개발하였습니다. 또한 항체나 DNA 등과 같은 물질들을 기판의 표면에 손쉽게 고정화할 수 있는 기능성 고분자 박막을 도입함으로써, 값싸고 성능이 좋은 다양한 종류의 bio-sensor의 개발 역시 이루어졌으며, 이러한 기술을 통해 Ebola, Zika, H1N1 등 다양한 종류의 감염성 질환의 조기진단을 가능하게 하는 bio-sensor의 개발 관련 원천 기술의 개발 역시 이루어졌습니다.

                                               [임성갑 교수 연구실험실]