[이달의 가상 스포츠토토] 10억 분의 1, 나노를 인쇄하다 - 성명모 교수

'휘는 디스플레이'에 적용 가능한 유기물 단결정 패터닝(patterning) 기술 개발

본 기획은 2014년부터 시작하는 산학협력단의 ‘이달의 가상 스포츠토토’ 선정과 함께 합니다. 산학협력단은 매주 금주의 우수논문을 선정해 이 중 매달 ‘이달의 가상 스포츠토토’를 선발하며, 기획은 한 달에 한 번 진행됩니다. 본 기사는 인터넷한양과 산학협력단 뉴스레터에서도 만날 수 있습니다.

입는 컴퓨터, 종이처럼 접을 수 있는 스마트폰은 가능할까. 소비자들은 현재의 스마트폰에서 더 발전된 형태의 디스플레이를 요구한다. 이런 수요에 맞춰 성장하는 분야가 접거나 구부려도 동일한 화질을 구현하는 ‘플렉서블 디스플레이(Flexible Display)’. 이를 구현하기 위한 기술 개발은 계속됐지만, 완전히 휘어지는 디스플레이를 위한 기술은 개발하지 못했다. 하지만 성명모 교수(자연대·화학)는 이 한계를 극복할 기술을 발견했다. 나노 단위의 인쇄 방법을 찾은 것이다.

생각의 전환으로 발견한 나노미터(nm) 인쇄법

“이번 가상 스포츠토토를 통해 나노와이어(Nonowire; 단면 지름이 10억 분의 1미터인 극미세선)를 인쇄해 낼 수 있게 됐습니다. 디스플레이에서 가장 중요한 요소인 반도체 소자를 고분자 물체인 나노와이어로 만든다면, 종이처럼 완전히 휘어지는 플렉서블 디스플레이를 실현할 수 있습니다.”

산학협력단 연구진흥팀이 선정하는 2월 이달의 가상 스포츠토토상에 나노화학 전문가 성명모 교수를 뽑혔다. 성명모 교수 연구팀이 발표한 논문은 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈지(Advanced Functional Materials) Vol 23’에 게재됐다. 논문 제목은 『Single-crystal organic nanowire electronics by direct printing from molecular solutions』이며 유기물 단결정 패터닝(Patterning, 반도체 회로 제조 과정에서 회로를 정렬하는 것) 기술로 해석할 수 있다. 여기서 “Direct printing”은 말 그대로 한번의 공정으로 인쇄 가능한 인쇄 기술이다. 보통 반도체 소자를 인쇄할 때는 여러 번의 공정을 통해 겹겹이 인쇄를 한다. 하지만 유기물로 이뤄진 나노와이어는 여러 번의 공정을 거칠 경우 유기물이 파괴된다. 또, 공정이 많아질수록 단가 역시 비싸진다. 그 동안 한번에 인쇄하는 방법이 필요했음에도 여러 문제 때문에 실현 불가능했다. 하지만 성 교수 연구팀은 문제점을 해결하고 기술을 실현해냈다.

이 가상 스포츠토토를 진행하게 된 것은 가상 스포츠토토팀 한 학생의 우연한 발견 덕분이었다. 5년 전 화학과 박사과정이었던 황재권 학생이 아주 얇은 유기막에 인쇄하는 법을 알아낸 것. 한번에 찍어내는 인쇄는 도장에 액체를 발라 찍은 뒤 말리는 경우가 대부분이다. 하지만 나노미터(nm) 단위의 얇은 유기막에 액체 발라 찍으면 액체가 모두 퍼져 인쇄가 불가능하다. 그런데 이 학생은 발상을 전환했다. 유기막을 완전히 말린 다음 ‘액체 층’을 깔고 찍는 방식을 시도한 것이다. 그 결과 나노미터 단위도 인쇄가 가능하다는 사실을 발견했다. 이 발견이 성 교수 가상 스포츠토토의 시작이다.

가상 스포츠토토는 화학과 대학원 학생들과 함께 5년간 진행돼 완성된 가상 스포츠토토를 발표했다. 이 기술은 최종적으로 전자 소자 디스플레이에 쓰이기 때문에 단순히 화학과에서만 할 수 없었다. 전자과 교수를 비롯한 여러 전문가의 자문을 받으면서 가상 스포츠토토를 진행했다.

종이처럼 휘어지는 디스플레이

이렇게 완성된 가상 스포츠토토는 나노미터 단위의 유기물 나노와이어를 인쇄해 패터닝, 즉 정렬할 수 있는데 의미를 가진다. 정렬된 나노와이어를 디스플레이에 적용하면 ‘완전히’ 휘어지는 플렉서블 디스플레이를 만들 수 있다. 현재 생산되는 디스플레이는 강화유리가 포함돼 있기 때문에 자유자재로 휘어질 수 없다. 하지만 나노와이어로 만들어진 디스플레이는 마치 종이나 얇은 플라스틱처럼 자유롭게 휘어진다. 이렇게 만들어진 디스플레이는 웨어러블 컴퓨터(Wearable computer; 착용 가능한 컴퓨터)로도 활용할 수 있다.

그런데 왜 디스플레이를 생산하는 기업들은 이 기술을 활용하지 않을까. 시장이 없을뿐더러 초기 비용이 많이 들고 굳이 실험적인 생산을 하지 않기 때문이다. 이 기술을 활용해 디스플레이를 대량으로 제작하려면 기계를 만들어야 한다. 성명모 교수는 “상용화가 바로 가능하게 완성된 기술”이라며 “이 기술을 사용하는 기업이 나타나고 새로운 시장이 열릴 때까지 기다리는 중”이라고 말했다.

보이지 않는 나노를 가상 스포츠토토한다는 것

나노미터(nm)는 ‘10억분의 1미터’다. 눈은 물론 일반현미경으로도 보이지 않는다. 때문에 보이지 않는 나노를 가상 스포츠토토하는 것은 어렵다. 눈에 보이지 않는 작업을 하려면 일단 작업을 완료한 후에 성공여부를 판단해야 한다. “나노 가상 스포츠토토는 기본적으로 기술이 굉장히 어렵고 손을 많이 타는 작업입니다. 실험이 잘됐는지 안됐는지 확인하려면 작업을 완료한 뒤 일반현미경도 아닌 전자현미경으로 봐야 하죠. 그만큼 시간이 오래 걸리는 가상 스포츠토토입니다.”

특히 이번 가상 스포츠토토는 나노 입자를 다룸에도 장비가 만만치 않아 손으로 직접 작업했다. 인쇄를 위한 액체층을 손으로 직접 바르고 깔아야 했다. 개인의 손재주에 의존할 수밖에 없었다. “학생 열 명이 작업을 하면 한 달 동안 한 명도 제대로 해내지 못합니다. 6개월이 지나야 두 세 명 감을 잡기 시작하고 일년이 지나고서 다섯 명 정도의 학생이 숙련된 작업을 할 정도로 까다로운 작업입니다. 더 효율적인 작업을 위해서는 장비 개발이 필수죠.”

성 교수는 “잉크를 묻히는 것이 제일 어려운 만큼 쉽게 그리고 한번에 다양한 잉크를 묻힐 수 있는 잉크젯 프린팅 기술을 도입해야 합니다.”며 “노즐로 잉크를 주입한다면 다양한 종류 잉크를 인쇄할 수 있고 이 기술도 한 단계 더 발전 가능할 것입니다.”라며 이번 가상 스포츠토토의 발전 방향을 언급했다.

가상 스포츠토토는 뛰어난 두뇌보다 ‘창의력’과 ‘노력’

성 교수 가상 스포츠토토팀은 이번 가상 스포츠토토 외에 두 가지 가상 스포츠토토를 진행하고 있다. 첫 번째는 2년 전부터 시작한 미래창조과학부에서 지원하는 글로벌 프론티어 사업으로 태양 연료전지를 만드는 것이다. 이 가상 스포츠토토는 성 교수의 전문 분야인 나노화학을 적용해 재생 가능하고 더 효율적인 솔라셀 연료를 만드는 것을 목적으로 한다. 두 번째는 삼성 디스플레이와 산학협력가상 스포츠토토로, 이번 논문의 기술을 심화가상 스포츠토토 중이다.

성명모 교수는 가상 스포츠토토가 갖춰야 할 두 가지 필요조건으로 창의력과 노력을 꼽았다. 둘 중 하나만 부족해도 안 된다는 것. “지식이 부족해도 창의력과 노력을 갖춘다면 연구는 성공할 수 있습니다. 머리가 좋은 것과 창의력은 다르다고 생각합니다. 학창시절에도 학업 이해도와 성취도는 떨어지지만 유달리 창의력이 뛰어난 학생들이 있죠. 이 학생들은 자신의 분야에서는 누구보다 뛰어난 성취를 보여줍니다. 연구도 마찬가지죠. 지식이 많고 머리가 좋다고 성공하는 것은 결코 아닙니다. 연구는 새로운 시도와 창의성이 필요하고, 창의성을 성과로 만들 수 있는 노력이 중요하기 때문입니다.”

서미량 학생기자 minyang08@hanyang.ac.kr
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박보민 사진기자 marie91@hanyang.ac.kr