1. 서 론

플렉서블(벤딩 또는 휨) 전자소자는 유연한 플라스틱 기판이나 탄성이 있는 소재를 이용하여 구현되며, 이러한 소자들은 두께가 얇고 무게가 가벼워야 하고 복잡한 기계적 변형을 요구하는 환경에서도 일정한 성능을 가지고 동작할 수 있어야 한다. 다시 말하면, 기존의 전자 소자는 주로 칩 형태로 제작되어 고정된 형태를 가지고 있었지만, 벤딩이 가능한 전자소자는 변형이 가능한 소재를 사용하여 다양한 형태로 구부러지거나 휘어지며, 이러한 특성 덕분에 새로운 형태의 전자기기 제작을 가능하게 한다.

휨이 가능한 전자소자는 소재 기술과 제조 공정의 발전으로 이루어졌으며, 더불어 폴리머와 나노 기술의 발전은 플렉서블 전자소자의 제작에 큰 영향을 주고 있다. 또한, 소자의 구조 및 디자인 개선도 중요한 요소로 작용하였고, 특히, 오랜 기간 동안 실리콘을 기반으로 하는 전자 소자의 제작 기술을 바탕으로 한 플렉서블 전자소자의 연구와 개발은 기술적인 도약을 이룰 수 있었다.

벤딩이 되는 전자소자는 현재와 미래의 전자 기기 산업을 변화시키고 있다. 예를 들면, 스마트폰, 스마트워치, 태블릿 등의 기기에서부터 의료 기기, 의류, 차량 내부 시스템에 이르기까지 다양한 분야에서 그 활용이 확대되고 있다^[1,2]. Fig. 1에서와 같이 2019년 우리나라의 제조사가 세계 최초로 제품으로 출시하여 후속 제품이 출시되고 있는 휴대폰에 적용된 접이식 디스플레이가 대중화되면서 더욱 플렉서블 전자소자에 대한 관심이 집중되고 있다. 이러한 디스플레이는 고내열성 소재인 유기물 기반의 폴리이미드상에 제작되었기 때문에 변형이 가능한 형태의 전자소자를 제작할 수 있다^[3].

그림 1. 플렉서블 소재상에 디스플레이가 구현된 (a) 갤럭시 플립5 와 (b) 갤럭시 폴드5 제품 이미지 (삼성전자 제공)

Fig. 1. Product images of (a) Galaxy Flip 5 and (b) Galaxy Fold 5 with displays fabricated on flexible materials (provided by Samsung Electronics)

앞으로는 더욱 유연하고 신축성이 높은 소재와 제조 기술이 개발되어 더욱 복잡하고 세밀한 플렉서블 전자소자가 등장할 것으로 보인다. 더불어 인공 지능, 사물 인터넷, 웨어러블 기기 등의 기술 발전과 함께 플렉서블 전자소자의 활용 범위는 더욱 확장될 것이며, 보다 혁신적이고 다양한 전자 제품이 탄생할 것이다^[4]. 이러한 플렉시블 소재는 기존 배터리에 비해 부피와 무게가 작고 유연하며 고용량, 친환경의 장점을 지닌 이차전지, 태양전지, 우주 항공 등의 산업 분야에서도 주목받고 있다^[5-8]. 연구진은 Fig. 2(a)에 보여준 바와 같이 얇은 스틸 기판상에 휨이 가능한 CIGS(Calcium Indium Gallium Selenide) 반도체 기반의 박막 태양전지와 Fig. 2(b)처럼 OHP 필름상에 AZO(Aluminium Zinc Oxide) 반도체 기반의 광센서를 제작한 경험이 있다.

그림 2. (a) Invar 소재에 구현된 CIGS 태양전지와 (b) OHP 필름상에 제작된 광센서 소자 이미지

Fig. 2. (a) CIGS solar cell fabricated on Invar material and (b) optical sensor element image manufactured on OHP film

현재 상용화된 플렉시블 전자제품은 가격이 높기 때문에 지속적인 기술 개발이 필요할 것으로 보인다. 이를 위해 기존 반도체 및 디스플레이를 제작하는 Lithography, Deposition 등의 공정을 프린팅 공정(Gravure, Offset, Flexography 등)으로 대체하는 등 공정 비용 부문에서의 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 기판 자체의 초경량, 유연성, 디자인 다양성, 적용성을 개선하는 등의 연구도 진행하고 있다^[9,10].

전자소자는 다이오드와 트랜지스터와 같은 능동형 소자와 함께 인덕터, 커패시터, 저항과 같은 수동형 소자로 분류한다. 이 중에서 전기 에너지를 저장하고 이를 필요한 시점에 공급하는 유연한 커패시터와 전자 회로에서 전류의 흐름을 조절하고, 전압 분배, 신호 처리 등을 하는 저항은 웨어러블 전자기기의 발전과 함께 플렉서블한 센서, 생체 감지 장치, 휴대용 의료 기기 등에 적용되어 사용자의 편의성과 기능성을 향상시켰다. 또한, 의료 분야에서는 유연한 센서와 커패시터를 결합하여 휴대용 모니터링 장치나 의료 이미징 장치를 개발함으로써 의료 진단과 치료에 새로운 기회를 제공할 것이다^[3].

최근 연구들은 플렉서블 소자의 성능 향상을 위해 다양한 신소재와 제조기술을 도입하고 있다. 그래핀, 탄소 나노튜브, 메탈 옥사이드 나노와이어와 같은 나노소재들은 높은 전기적 전도성과 기계적 강도를 제공하여 플렉서블 커패시터의 성능을 극대화하는 데 기여하고 있다^[11-13].

최근 전자소자에서는 다양한 신소재를 이용하여 전자소자를 제작하는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 본 연구에서는 이러한 시대적 요구에 따라 벤딩이 가능하고 상용화되어 있는 실리콘 및 합성고무 소재상에 주변에서 쉽게 확보할 수 있는 알루미늄 테이프 및 은 페이스트를 사용하여 커패시터 및 저항을 제작하여 전기적인 특성을 평가하였고, 실제 회로에 적용하여 상용화된 커패시터 및 저항과 비교하였다. 이를 통해 새로운 소재로 제작된 소자의 가능성을 확인하였으며, 관련된 기술 및 분야에 기여하고자 한다.

2. 실험 방법

플렉서블 커패시터와 저항의 수동 소자를 제작하기 위한 실험 방법은 다음과 같다. 먼저, 플렉서블 커패시터를 제작하기 위해 절연소재로 사용될 용액형 실리콘(Fig. 3(a))를 parafilm(Fig. 3(b)) 위에 도포한 후 Fig. 3(c)와 같이 이물질이 붙지 않게 도포한 실리콘 상에 같은 크기의 parafilm을 붙이고 30분간 압착한 후 상온에서 24시간 건조하여 Fig. 3(d)와 같은 0.40mm 두께의 유연한 절연소재를 제작하였다. 이와 같이 parafilm을 사용한 이유는 실리콘이 도포된 후 탈착을 쉽게 할 수 있게 하기 위함이다. Fig. 3(e)는 실리콘 재료의 표면을 현미경으로 관찰한 이미지로 흰색으로 보이는 Fig. 3(d)와 는 다르게 표면에 굴곡이 있고, 결정 구조가 잘 정렬되어 있으며, 약간의 불규칙성과 결함이 관찰되었다. 이는 소재의 가공 또는 취급 과정에서 발생한 것으로 보인다. 또한, 어두운 반점이나 명암의 변화는 결함이나 불순물을 나타낼 수 있으며, 이러한 결함은 실리콘의 전기적 특성에 영향을 미칠 수 있다고 판단된다.

그림 3. 실리콘 기반의 절연 소재를 제작하기 위해 사용된 (a) 상용화된 실리콘 용액, (b) 이 용액을 파라필름 상에 형성, (c) 파라필름을 실리콘 형성된 윗면에 덮는 과정, (d) 제작된 실리콘 절연소재, (e) 실리콘 표면을 현미경으로 관찰한 이미지

Fig. 3. (a) Commercialized silicone solution used to manufacture silicone-based insulating material, (b) forming this solution on parafilm, (c) process of covering parafilm on top of silicone formed, (d) manufactured silicone Insulating material, and (e) observing the surface of silicon using a microscope

다음으로는 벤더블 저항 소자를 구현하기 위해 두꺼운 소재의 합성 고무를 롤러를 이용하여 Fig. 4(a)에서 보여주는 0.4mm두께의 가로와 세로 크기가 30cm × 15cm인 절연체를 제작하였다. Fig. 4(b)는 합성 고무의 표면을 현미경으로 관찰한 이미지로 요철이나 불규칙성이 관찰된다. 이러한 요철은 합성고무의 제조 과정에서 발생한 일반적인 현상으로 보이며, 이미지에서 어두운 반점이나 명암의 변화가 발견되었는데, 이는 결함이나 불순물을 나타낼 수 있으며, 이러한 결함은 합성고무의 물리적 특성이나 내구성에 영향을 미칠 수 있다.

그림 4. (a) 저항 소자를 구현하기 위해 두꺼운 소재의 합성 고무를 롤러를 이용하여 0.4mm두께의 가로와 세로 크기가 30cm × 15cm로 제작된 절연체 이미지와 (b) 합성 고무 표면을 현미경으로 관찰한 사진

Fig. 4. (a) Image of an insulator made with a horizontal and vertical size of 30 cm and 15 cm, respectively, and a thickness of 0.4 cm, using thick synthetic rubber rollers to implement a resistance element and (b) photo of a synthetic rubber surface observed using a microscope

상기 방법으로 제작한 절연소재들은 표면이 소수성이므로, 친수성으로 변화시키기 위하여 상압플라즈마를 발생시키는 장비로 소재 양면을 산소플라즈마로 처리하였다. 공정조건은 13.56MHz RF power로 아르곤과 산소 가스를 공급한 분위기에서 100W 전력을 공급하였고 20초간 진행하였다. Fig. 5와 Fig. 6은 합성 고무와 실리콘 소재를 산소 상압플라즈마로 표면을 처리하기 전과 후를 나타내는 접촉각 이미지이다. 처리 전 샘플 표면의 접촉각은 42도 (합성고무), 85도(실리콘 소재)였으며, 이는 절연소재 표면이 물을 좋아하지 않고, 물과의 접촉을 최소화하려는 성질을 가지고 있다는 것을 의미한다. 하지만, 상압플라즈마처리 후의 표면에서의 접촉각은 15도(합성 고무), 35도(실리콘 소재) 값으로 나타났다. 이와 같이 표면 처리 후 접촉각이 감소한 결과는 샘플 표면이 물과 잘 섞이는 성질을 가지고 있다는 것을 의미한다. 이를 통해 표면에 물을 기반으로 하는 용액을 코팅할 때 전체적으로 균일한 막을 형성할 수 있다는 것을 직접적으로 설명하는 근거이다.

그림 5. 합성고무 소재의 (a) 상압플라즈마 처리 전과 (b) 상압플라즈마 처리 후의 접촉각을 보여주는 이미지

Fig. 5. Contact angle of synthetic rubber material (a) before and (b) after atmospheric pressure plasma treatment

그림 6. 실리콘 소재의 (a) 상압플라즈마 처리 전과 (b) 상압플라즈마 처리 후의 접촉각을 보여주는 이미지

Fig. 6. contact angle of silicon material (a) before and (b) after atmospheric pressure plasma treatment

다음으로 실리콘 절연체와 합성고무 절연체는 블로우를 사용해 표면에 존재하는 파티클을 제거해주었으며 크기에 따른 커패시턴스 및 저항을 비교하기 위하여 5cm × 5cm, 5cm × 10cm, 5cm × 20cm의 크기로 제작하였다.

일반적으로 반도체 분야에서 전극 소재, 즉 금속막을 형성하기 위해서는 진공분위기에서 공정을 진행하는 sputter, evaporation, E-beam 장비를 사용하지만, 본 연구에서는 알루미늄 테이프와 은 페이스트를 전극 소재로 정하였다. 이러한 소재들은 재료 및 공정 관점에서 저렴한 가격으로 경제적이며, 구현하기 쉽고, 또한 실리콘 소재에 용이하게 부착 및 밀착을 용이하게 할 수 있기 때문이다. 특히, 은 페이스트는 액체 특성을 지니고 있어서 원하는 두께로 필요한 영역에 형성하기가 쉽다.

이후 두 소자를 제작하기 위하여 공정 방법을 다르게 진행한다. 먼저, 플렉서블 커패시터를 제작하기 위해 실리콘 소재 양쪽 면에 각각 4.5cm × 5cm, 4.5cm × 10cm, 4.5cm × 20cm, 크기의 알루미늄 테이프를 부착하여 금속/절연체/금속 구조를 형성하였으며 샘플들의 이미지를 Fig. 7(a)에 나타내었다. 이와 같이 제작된 소자는 Fig. 7(b)와 같이 휨이 가능한 형태로 구현된다.

그림 7. (a) 실리콘 소재 양쪽 면에 각각 4.5cm × 5cm, 4.5cm × 10cm, 4.5cm × 20cm, 크기의 알루미늄 테이프를 부착하여 금속/절연체/금속 구조를 형성한 샘플들과 (b) 이 샘플의 플렉서블 특성을 보여주는 이미지

Fig. 7. (a) Samples fabricated by attaching aluminum tapes of sizes 4.5cm × 5cm, 4.5cm × 10cm, and 4.5cm × 20cm on both sides of a silicon substrate, forming a metal/insulator/metal structure, and (b) images showing the flexible properties of these samples

저항 소자를 제작하기 위하여 한 면에 캡톤 테이프로 4.5cm × 5cm, 4.5cm × 10cm, 4.5cm × 20cm 크기의 빈 공간을 형성하고 이 공간에 Ag 페이스트를 도포하여 플라스틱 판으로 밀면, 은(Ag)로 구성된 전도막이 형성되며, 상온에서 은 페이스트에 존재하는 용매를 증발시키기 위해 핫 플레이트(Hot plate)를 이용하여 100℃로 5분간 열처리하였다. 이 과정에서 합성고무 절연소재에 있는 미세구조로 은 페이스트가 침투하여 저항 구조가 자연적으로 구현된다. 이 후 마스크로 사용한 캡톤 테이프를 제거한다. 다른 면에도 동일한 방법 및 크기로 Ag 전도막을 형성시키면, Fig. 8(a)에서 보여주는 저항성 소자가 완성되며, 이와 같이 제작된 소자는 Fig. 8(b)와 같이 벤딩이 가능하다.

그림 8. (a) 합성 고무 소재 양쪽 면에 각각 4.5cm × 5cm, 4.5cm × 10cm, 4.5cm × 20cm, 크기의 Ag 페이스트를 형성시켜 금속/절연체/금속 구조를 형성한 샘플들과 (b) 이 샘플의 플렉서블 특성을 보여주는 이미지

Fig. 8. (a) Samples fabricated by coating Ag paste of sizes 4.5cm × 5cm, 4.5cm × 10cm, and 4.5cm × 20cm on both sides of a silicon substrate, forming a metal/insulator/metal structure, and (b) images showing the flexible properties of these samples

3. 이론 고찰

3.1 플렉서블 전자 소자의 전기적인 특성

먼저, 제작된 커패시턴스 및 저항값을 측정하기 위해 휴대용 디지털 멀티미터를 사용하였으며, 결과를 Fig. 9와 같이 나타내었다.

그림 9. 다양한 크기로 제작된 소자들의 (a) 커패시턴스와 (b) 저항값

Fig. 9. (a) Capacitance and (b) Resistance values of devices manufactrued in various sizes

Fig. 9(a)는 다양한 크기로 제작된 플렉서블 커패시터 소자들의 커패시턴스 값을 나타낸 그래프이다. 면적 25$cm^{2}$로 제작된 소자의 경우 0.25nF의 커패시턴스가 측정되었으며, 50$cm^{2}$ 소자는 0.50nF, 100$cm^{2}$ 소자는 1.0nF의 커패시턴스가 측정되었으며, 이는 아래와 같은 수식으로 설명이 가능하다.

(1)

$C=\varepsilon_{0}\varepsilon_{s}\dfrac{A}{d}$

식 (1)은 도체판 사이에 절연체가 있는 커패시터 구조의 일반적인 커패시턴스를 계산하는 식이다. 이때 ɛ0는 진공에서의 유전율, ɛs는 절연체(Silicone)의 비유전율이며 비례 상수이다. 절연체의 두께 d가 0.40mm으로 일정하므로 커패시턴스 값 C는 단면적 A가 증가하면, 식 (1)에서와 같이 커패시턴스 값도 비례적으로 변화하게 되며, 이때 계산된 실리콘 물질의 비유전율 값은 4.517 F/m이다.

또한, Fig. 9(b)는 플렉서블 저항 소자의 크기에 따른 저항 값을 나타낸 그래프이다. 실험 방법에서 언급한 바와 같이 커패시터 소자와 면적이 동일하게 제작되었으며, 각각 100kΩ, 46kΩ, 21kΩ의 저항값이 측정되었는데, 이는 다음과 같은 식으로 설명할 수 있다.

(2)

$R=\rho\dfrac{L}{A}$

식 (2)에서 L은 전극사이의 거리, A는 전극의 단면적을 나타내며, ρ는 물질의 비저항값이다. 상기 식에 따라 전극의 면적이 증가함에 따라 저항값은 반비례함을 알 수 있으며, 이 때 계산된 비저항값은 $5.75\times 10^{5}$ Ω·m이다.

3.2 제작된 소자들의 전자 회로 적용

제작한 소자의 실질적인 작동 및 상용화 가능성을 확인하기 위해 Fig. 10과 같은 RC 회로를 구성하였다. 비교를 위해 거의 동일한 값의 커패시터와 저항을 가진 상용화된 소자를 사용하였으며, 저항 소자에 출력되는 전압 파형을 측정하기 위하여 오실로스코프를 사용하였다.

교류 발생기를 이용하여 교류 전압 9V(피크-to-피크)와 주파수 1.0kHz를 발생시켜 실제 상용 커패시터(0.47nF)와 저항(51kΩ)을 사용한 회로에 인가한 후 오실로스코프로 저항에서의 전압 파형을 측정하였을 때 1.33V(Fig. 11(a) 참조)의 피크 대 피크 값이 계측되었다. 또한, 제작한 커패시터(0.50nF)와 저항(46kΩ)을 사용한 회로에서는 1.25V(Fig. 11(b) 참조)의 피크 대 피크 값이 관찰되었다. 이를 통해 거의 비슷한 출력 데이터가 출력되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 회로 프로그램(PSPICE)를 이용하여 상용소자와 제작된 소자들에 대해 시뮬레이션을 진행하였으며, 그 결과를 Fig. 11(c)와 Fig. 11(d)에 나타내었다. 저항에서의 전압값은 상용소자는 1.34V, 제작된 소자는 1.28V의 Vp-p값이 나왔으며, 오실로스코프를 이용하여 측정된 결과와 유사한 값이 나오는 것을 확인할 수 있었다.

그림 10. 상용 소자와의 비교를 위하여 구성한 RC 직렬 회로

Fig. 10. RC Circuit Configured for Comparison with Commercial Devices

그림 11. (a) 상용화된 커패시터와 저항 및 (b) 제작된 커패시터와 저항으로 RC 회로를 구성하여 저항에서 측정한 각각의 전압 파형, (c) 상용화된 커패시터와 저항 및 (d) 제작된 커패시터와 저항으로 RC 회로를 시뮬레이션하여 저항에서 관찰된 각각의 전압 파형

Fig. 11. Voltage waveforms measured across the resistor in RC circuits composed of (a) commercial capacitors and resistors and (b) fabricated capacitors and resistors. Simulated voltage waveforms across the resistor in RC circuits composed of (c) commercial components and (d) fabricated components

이러한, 실험과 분석 결과는 추가적으로 이론적으로 계산한 결과와 비교해 볼 수 있다.

(3)

$Z=Z_{R}+Z_{C}$

(4)

$V_{p-p}=V_{0}\times\dfrac{Z_{R}}{Z}$

식 (3)과 (4)를 이용하여 RC 직렬 회로에서 입력 전압 V0에 의해 저항 R에 걸리는 첨두값 전압 Vp-p를 구할 수 있다. ZR은 저항 R의 임피던스, ZC는 커패시터 C의 임피던스 값이다. 이러한 수식을 이용하여 계산한 결과 상용 소자의 경우 1.34V의 Vp-p값이 나왔으며 제작한 플렉서블 수동 소자의 경우 1.28V로 측정한 Vp-p값과 거의 동일한 값을 얻었으며, 시뮬레이션 결과와는 정확히 일치하였다. 상기 과정을 통해 교류를 통과시키는 커패시터의 특성을 관찰하였으며, 실제 회로에 적용 가능하다는 것을 확인하였다.

3.3 제작된 소자들의 플렉서블 특성

제작한 소자의 내구성을 평가하기 위하여 이송거리가 0mm부터 60mm까지 왕복이 가능한 밴딩기를 사용하여 제작된 저항과 커패시터의 벤딩 특성을 평가하였다.

왕복 이송거리는 5cm × 5cm 샘플 기준 기본 두께를 고려하여 10mm를 출발점(곡률반경 5mm)으로 하였으며, 알루미늄 테이프 및 Ag 페이스트가 도포된 영역을 고려하여 45mm를 도착점으로 하였다. 왕복 횟수는 10000회, 이동속도 10m/sec, 정지시간 0.5sec로 지정하여 밴딩 테스트를 시작하였으며 이미지는 Fig. 12와 같다.

절연 소재로 활용된 실리콘과 합성 고무는 왕복 10,000회에 이르는 반복 변형에도 손상 없이 형태를 유지한 반면, 커패시터의 도체 소재로 사용된 알루미늄 테이프는 왕복 1,000회 이후 절연체인 실리콘으로부터 이탈하는 현상이 관찰되었다. 또한, 저항의 도체 소재로 사용된 은(Ag) 페이스트는 5,000회 이상의 반복 후 균열이 발생하기 시작하였다. 이에 따라, 본 연구진은 추후 도체 소재의 성능 향상 및 내구성 확보를 위한 연구를 진행할 예정이다.

그림 12. 제작된 커패시터의 밴딩 테스트 (a) 시작 및 (b) 도착, 그리고, 제작된 저항의 밴딩 테스트 (c) 시작 및 (d) 도착 상태에서의 벤딩 실험 장치 이미지

Fig. 12. Banding test (a) initiation and (b) arrival of manufactured capacitors, and bending test (c) initiation and (d) arrival of manufactured resistance

4. 결 론

본 연구에서는 최근 이슈가 되고 있는 플렉서블 전자 소자를 제작하기 위하여 유연하고 신축성 있는 소재로 다양한 면적을 가지는 수동 소자(커패시터 및 저항)를 제작하였다. 이후 이러한 전자 소자들의 전기적 특성값을 이론적인 값과 비교하여 면적이 증가함에 따라 커패시터 값은 증가하는 반면, 저항값은 감소하는 것을 확인하였다.

제작된 소자들이 상용화된 커패시터 및 저항과 같은 특성을 가지는지 확인하기 위해 RC 직렬회로를 구현하여 비교하였으며, 거의 동일한 출력 파형을 관찰하였다.

추가적으로 밴딩 테스트를 통해 제작된 소자의 내구성을 평가하였다. 이 과정에서 커패시터와 저항 소자의 구성요소인 도체 소재가 탈착되거나 균열이 발생하였으며, 이로부터 도체 소재에 대한 개선이 필요함을 확인하였다. 지속적인 연구를 통해 도체 소재의 부착 성능을 향상시키고 내구성을 더욱 강화할 수 있는 방안을 마련하고자 한다.