작성일 : 21-01-03 15:45
스티브박 KAIST 교수와 남재욱 서울대 교수 연구팀, 액체가 고체 박막으로 변하는 과정 실시간 관찰 , 머리카락의 50배 얇은 막, 액체 흐름 제어로 조절
 글쓴이 : happy
조회 : 9  

머리카락의 50배 얇은 막, 액체 흐름 제어로 조절

  •  이유진 기자
  •  
  •  승인 2020.12.14 11:44
 

KAIST-서울대, 액체가 고체 박막으로 변하는 과정 실시간 관찰
고균일성 디바이스를 통한 용액 공정 상용화 실마리 

미세유체 칩 기반의 유체역학 현상 제어·분석 시스템 모식도. [사진=연구재단 제공]
미세유체 칩 기반의 유체역학 현상 제어·분석 시스템 모식도. [사진=연구재단 제공]
액체가 증발해 박막 형태로 결정화되는 과정이 포착됐다. 박막이란 기계 가공으로는 실현 불가능한 마이크로미터(㎛) 두께 이하의 엷은 막을 의미한다. 머리카락의 50배 정도이다. 높은 성능을 지닌 박막 기반 디바이스 제작 등 다양한 산업 분야로의 적용이 가능할 것으로 보인다. 

한국연구재단(이사장 노정혜)은 스티브박 KAIST 교수와 남재욱 서울대 교수 연구팀 유기반도체 입자를 포함한 액체 재료가 고체 박막으로 변하는 과정을 실시간 관찰할 수 있는 분석 시스템을 개발했다고 14일 밝혔다.  

액체 상태의 재료를 코팅하는 용액공정은 고체 재료를 기화시키는 증착공정에 비해 진공·고온·고압에서 경제적이다. 하지만 빠르게 형상이 변하는 유체(액체와 기체처럼 형상이 정해져 있지 않아 변형이 쉽고 흐르는 성질을 지닌 물체) 거동 통제와 예측이 어렵기 때문에 결정화 과정에 대한 이해가 부족했다. 디스플레이, 태양전지 등 다양한 박막 기반 산업 분야에 적용되지 못했다.

연구팀은 사선 모양이나 헤링본 무늬 같은 다양한 미세패턴이 새겨진 3차원 미세유체칩을 제작했다. 미세유세칩은 액체 흐름을 통제할 수 있는 매우 작은 직경의 유로다. 그 결과 유체가 흐르는 양상을 정밀 제어하는 방식으로 마이크로미터 단위에서 유체 환경을 자유자재로 조절하는 데 성공했다. 

연구팀은 3차원 시뮬레이션과 초고속 촬영을 통해 분자가 유체 움직임에 따라 이동하고 고체로 변하는 과정을 실시간 관찰했다. 헤링본 무늬의 미세패턴에서 작은 크기의 소용돌이가 동시다발적으로 나타나는 카오스 이류를 확인했다. 

카오스 이류란 방파제에 부딪히는 파도처럼 유체가 구조물에 부딪히는 등 외부요인으로 변형돼 형성되는 복잡한 형태의 흐름을 말한다. 관찰된 카오스 이류는 다양한 용액 공정 기술에 입자들이 빈 곳 없이 정렬·공정 균일성을 높이는 실마리가 될 수 있을 것으로 보인다. 

반면 층류나 나선형 형태의 유동은 방향이 규칙적이고 고정돼 있어 흐름이 약한 방향으로는 유기반도체 입자가 원활하게 공급되지 못한다. 

이렇게 제작된 트랜지스터는 층류나 나선형 형태 유동을 기반으로 제작된 트랜지스터에 비해 박막의 결함(정렬 불량, 빈 곳, 덴드라이트)을 억제하는 성능과 균일성을 보였다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 재료 분야 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)' 표지논문으로 지난 3일에 게재됐다.