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  • 금속 나노 입자의 전계 트랩을 이용한 균열 자가 치유 금속 배선 실현등록일 : 2015/02/23
  • 일본 와세다 대학의 연구 그룹은 금속 나노 입자의 전계 트랩을 이용하여 배선에 한 번 크랙(균열)이 발생한 경우에도 전압 인가에 의해 균열을 자가 치유하는 금속 배선을 실현했다.

    본 연구의 성과는 플렉서블 디바이스에 사용되는 신축 배선이나 환경의 온도 변화에 따른 피로를 받는 전자 기판 상의 금속 배선 등에 자가 치유 기능을 부여하는 것으로 사회적으로도 큰 기대를 모으고 있다.

    본 연구의 내용은 2015년 1월 18일 ~ 22일에 개최된 국제학회 MEMS2015(The 28th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems)에서 발표되었다. 본 발표는 일본의 대학·기관의 발표로는 유일하게 Outstanding Oral Paper Award Finalists에 선정되는 등(학회 전체적으로 선정된 것은 11건에 한함) 높은 관심을 끌었다.

    최근 플렉시블 기기가 활발히 연구되고 있으며, 신축 배선은 그 기본 요소로서 다양한 연구가 이루어지고 있다. 그러나, 그 연구는 전도성 재료를 고무 등에 혼합하거나 금속을 만곡시킨 형상으로 신축성을 지니게 하는 등 "재료" 또는 "형상"에 주목한 것이 대부분이다. 일반적으로 전도성 재료를 고무에 섞은 것은 금속에 비해 전도율이 낮으며, 또한, 만곡시킨 금속 배선은 거듭된 변형 및 과도한 변형에 따라 단선된다는 문제점이 있다. 또한, 실제로 배선을 사용하는 상황에서 크랙 장소나 크랙의 크기를 알 수 없는 경우가 대부분이었다. 그래서, 그 장소나 크기를 알지 못해도 균열을 복원하는 것은 매우 중요하다. 이처럼 크랙의 유무, 크랙의 장소 크기를 사람이 알지 않아도 스스로 진단한 것처럼 적절히 복구하는 "자기 회복"은 매우 유익한 기능이다.

    본 연구 그룹은 금속 배선에 자기 복구 기능을 부여함으로써 높은 전도율과 높은 신축 내성을 갖춘 배선을 실현하려 시도했다. 이는 신축 배선을 실현하기 위해 기존 연구에서는 "재료"나 "형상"에 주목한 접근이 시도되어 왔지만, "기능"에 주목한 새로운 접근이다.

    금속 배선으로서 두께 100nm의 금 배선, 금속 나노 입자의 분산된 액체로 반경 20nm의 금 나노 입자 분산 용액을 사용하였다. 우선 자기 복구 기능을 확인하기 위해 유리 기판상에 폭이 일정한 크랙(균열)을 가진 금 배선을 제작했다. 그 구조로서는 금속 배선과 그것을 덮는 금속 나노 입자를 포함한 액체가 배치되어 있다. 크랙부(균열)가 있는 금속 배선에 전압을 인가하면 크랙부에만 전계가 생긴다. 이 전계에 의해 금속 나노 입자는 금속 나노 입자가 크랙부에 이끌리는 힘(유전 영동력)이 작용한다. 정상 상태에서 금속 나노 입자는 반데르발스 힘과 정전 반발력을 받고 액 중에 분산되어 있지만, 전압 인가에 의한 유전 영동력이 커지면 크랙부로 모이는 전자 트랩 현상이 생긴다. 그래서, 크랙부에만 금속 나노 입자가 모여 모인 금속 나노 입자에 의한 크랙부가 가교되고 금속 배선이 복구하다. 전술한 대로 금속 나노 입자는 반데르발스 힘과 정전 반발력을 받고 액 중에 분산하고 있어, 크랙부 이외의 금속 배선부에는 금속 나노 입자가 흡착하지 않는다.

    본 연구의 성과는 높은 전도율을 가지는 금속 배선에 높은 신축 내성을 갖게 할 수 있다는 점에서 큰 장점을 가진다. 예를 들면 플렉시블 기기에 사용되는 만곡한 금속 배선에 자기 복구 기능을 갖게 하는 등의 이용이 가능하다. 또한, 플렉시블 기기만 아니라 일반적인 전자 기기에서도 이 자기 복구 기능은 유용성이 기대된다. 구체적으로는 외부 온도 변화 및 기판과 배선의 열 팽창률의 차이에 따른 전자 기기 내의 기판상의 금속 배선은 신축 변형을 하기 위해 장시간 사용에서 배선에 크랙이 발생하는 문제가 있었다. 그러나, 본 연구의 자기 회복 기능은 이들 문제를 해결할 수 있게 된다. 이처럼 본 연구의 사회적 효과 및 적용 범위는 매우 넓다. 덧붙여 본 연구 성과는 와세다 대학에서 특허 출원되었다.

    현재 더 큰 크랙 폭의 복원의 실현과 더 높은 자기 복구 기능을 목표로 개량을 실시하고 있다. 또한, 현재의 구성에서는 액체의 밀봉이 필요하지만, 액체의 밀봉이 구조상 제조상 문제가 될 수 있어, 금속 나노 입자를 겔 중에 분산시킨 구성으로 자기 수복 기능의 연구를 시도하고 있다.

    [논문 정보]
    Tomoya Koshi, Eiji Iwase "Self-healing Metal Wire using an Electric Field Trapping of Gold Nanoparticles for Flexible Devices"
    Proceedings of the 28th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS2015), pp. 81-84, Estoril, Portugal, January 18-22, 2015.
  • 키워드 : 자기 복원, 금속 배선, 나노입자
  • 출처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑