^*파스칼(Pa): 압력을 나타내는 단위로서, 1pa은 1㎡ 당 1N의 힘이 작용하는 합력을 나타내며, 1kPa은 1000Pa이다.

^**접착 점멸비(on/off adhesive strength ratio): 저접착/고접착 상태에서의 접착력의 비이다. 스마트 접착 패드는 저접착 상태일 접착력이 0.3kPa이었고, 고접착 상태일 때 접착력이 94kPa로 나타났다. 접착 점별비는 293이 된다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

사용자가 외부에서 신호를 보내 접착 특성을 조절할 수 있는 ‘스마트 접착 시스템’은 의료용 접착 패치, 산업용 조립(assembly)과 조작(manipulation) 라인, 로보틱스(robotics), 스마트 프린팅 등 다양한 분야에 적용될 차세대 핵심 기술로 주목받고 있다. 이 기술을 위해 연구자들은 자연계에 존재하는 다양한 접착 시스템을 모사해 스마트 접착 시스템을 개발하는 연구를 활발하게 진행해왔다. 대표적인 사례가 게코 도마뱀이다. 게코 도마뱀 발바닥 표면은 기울어진 마이크로/나노 섬모 계층 구조를 가지며, 이를 이용해 힘의 방향에 따라 접착 특성을 조절할 수 있다. 많은 학자들은 이 구조와 메커니즘을 모사해 스마트 접착 시스템을 개발하고, 의료용 접착 패치와 산업용 조립 및 조작 라인에 응용하기도 했다.

하지만 기존의 스마트 접착 시스템은 접착력과 접착 점멸비가 낮다. 특히 접착할 때 주어지는 예압(preload) 때문에 섬세한 마이크로/나노 규모의 물질 표면에 응용이 어렵다는 한계가 있었다. 여기서 예압이란 접착 패드를 타겟 물질에 잘 붙이기 위해 미리 가해주는 압력을 말한다. 접착 패드를 타겟 물질 표면을 따라 완전히 접촉돼 붙기 좋은 상태(conformal contact)로 만들어줘야 접촉에 유리하다. 우리가 일반적으로 사용하는 접촉 패드들도 대부분 미리 한 차례 눌러주는 작업을 해야 한다.

이번 연구에서는 자연계에 존재하는 다양한 접착 시스템 중 매우 높은 접착력과 접착 점멸비를 가지는 ‘문어 빨판’을 모사했다. 이를 통해 매우 우수한 접착 특성을 가진 스마트 접착패드를 개발했다. 문어는 빨판 속 근육의 움직임을 통해 빨판 벽의 두께를 조절한다. 이 덕분에 빨판이 외부 표면과 닿을 때 생기는 빈 공간(cavity)의 부피도 조절할 수 있다. 결과적으로 빨판 내부의 빈 공간의 압력 조절이 가능하게 되는 것이다. 이는 빨판 안쪽 공간의 압력 차이를 이용한 접착과 탈착을 가능하게 해준다.

연구팀은 음각으로 무늬를 새긴 고분자 탄성체 ‘PDMS’와 열반응성 하이드로젤인 ‘pNIPAM’을 이용해 문어 빨판의 구조와 접착 메커니즘을 모사했다. 이는 외부 온도에 따라 접착 특성을 조절할 수 있는 ‘열반응성 스마트 접착 패드’를 구현하는 데 성공했다. 이는 기존 스마트 접착 패드보다 우수한 접착 특성을 나타냈다. 이번 연구에서는 이 패드를 이용해 다양한 반도체 물질의 마이크로/나노 구조체를 원하는 기판 위에 이종집적시킬 수 있는 스마트 프린팅 공정에 응용하는 연구도 진행했다.

2. 연구내용

이번 연구에서는 문어 빨판의 구조와 접착 메커니즘을 모사해, 기존의 스마트 접착 시스템보다 우수한 접착 특성을 가진 열반응성 스마트 접착 패드를 제작했다. PDMS 고분자 탄성체 표면에 문어 빨판 구조를 모사한 구멍(hole)을 만들고, 그 위에 열반응성 하이드로젤인 pNIPAM을 합성함과 동시에 코팅함으로써 스마트 접착 패드를 제작했다. 여기서 pNIPAM은 열에 따라 수축/팽창하므로 스마트 접착패드가 외부 표면에 접촉했을 때 만들어지는 내부 공간의 부피를 조절하게 된다. 이 부피 조절은 빈 공간 내/외부의 압력 차이로 이어지므로, 접착 특성까지 조절할 수 있게 해준다. 즉, 음각으로 무늬가 새겨진 PDMS 위에 코팅 된 pNIPAM층이 문어 빨판 속 근육의 움직임과 유사한 역할을 하게 되는 것이다.

이렇게 제작된 스마트 접착 패드는 기존에 비해 월등히 높은 접착력(~94kPa)과 접착 점멸비(~293)를 가진다. 내구성도 우수해 100회 이상 접착과 탈착을 반복해도 접착특성을 잃지 않았다. 무엇보다 이번에 개발된 스마트 접착 패드는 접착 시 예압이 필요하지 않아 마이크로/나노 규모의 물질 표면에 아무런 손상을 가하지 않으면서 접착/탈착이 가능하다. 이는 다양한 분야로 응용을 가능하게 해준다.

실제로 이번 연구에서 다양한 반도체 물질의 마이크로/나노 구조체를 원하는 기판 위에 이종집적할 수 있는 스마트 프린팅 공정을 개발하는 데도 성공했다. 이는 기존의 반도체 전사 프린팅보다 높은 수율을 보였다. 또 다양한 반도체 물질과 구조, 표적 기판에도 적용이 가능한 높은 효용성 또한 나타냈다.

더 나아가 이러한 스마트 프린팅 공정을 이용해 40㎚ 두께의 InGaAs 채널 기반의 고성능 백게이트 전계효과 트랜지스터를 제작했다. 이는 기존의 웨이퍼 본딩(wafer bonding)이나 전사 프린팅(transfer printing) 공정으로 제작된 InGaAs 백게이트 전계효과 트랜지스터보다 전기적 특성이 월등히 우수했다. 이번에 개발된 스마트 접착 패드를 이용해 이종집적을 했을 때 타겟 물질인 InGaAs 나노 박막의 결함 발생을 최소화할 수 있음을 의미하는 것이다. 또 타겟 물질인 InGaAs와 표적 기판인 SiO2/Si 기판 사이의 계면 또한 매우 우수한 것을 의미한다.

3. 기대효과

기존의 스마트 접착 시스템은 낮은 접착력과 접착 점멸비, 그리고 접착 시 가해지는 높은 예압 때문에 폭넓게 응용되기 어려웠다. 하지만 이번 연구에서 소개된 문어 빨판 모사 열반응성 스마트 접착 패드는 높은 접착력과 접착 점멸비, 우수한 내구성을 나타내며 다양한 분야로서의 응용 가능성을 보여줬다. 특히 이번에 개발된 스마트 접착 패드는 접착 시 예압이 필요하지 않아 마이크로/나노 스케일의 외부 타겟 물질 표면에도 손상을 가하지 않고 접착/탈착이 가능하다.

이번 연구에서는 스마트 접착 패드의 우수한 접착 특성을 스마트 프린팅 공정에 응용해 다양한 반도체 물질과 구조를 원하는 기판 위에 이종집적하는 데 성공했다. 더 나아가 III-V 화합물 반도체 기반의 고성능 트랜지스터를 제작하는 데도 성공했다. 개발된 스마트 접착 패드는 의료용 접착 패치, 로보틱스, 전자소자 분야에 폭넓게 응용될 것으로 기대된다. 또한 학술적 측면으로는 생체 모사 소재의 타 분야와의 다양한 융합형 연구기반을 조성하는 데 크게 기여할 것으로 예상된다. 산업적 측면으로는 고성능의 전자소자를 저가의 비용으로 제작할 수 있는 환경을 조성하는 데 큰 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)

독일 Wiley-VCH에서 1989년부터 발간한 저널로, 재료과학/공학(Mateirals Science and Engineering) 분야를 다루는 세계 정상급 국제 학술지이다.

2. 스마트 접착 패드(Smart adhesive pad)

외부 신호를 통해 접착특성을 사용자가 원하는 방향으로 조절할 수 있는 접착 패드이다.

3. pNIPAM(poly(N-isopropylacrylamide))

열반응성 하이드로젤. LCST(Lower Critical Solution Temperature) 이하의 온도에서는 주위의 용매를 흡수하며 습윤팽창하고, LCST 이상의 온도에서는 머금었던 용매를 내뱉으며 수축하는 특성을 가진다. 여기서 용매는 수소결합을 할 수 있는 액체를 말하며, 물이나 에탄올 등이 될 수 있다.

4. 임계용해온도 (Critical Solution Temperature)

고분자 용액에서의 상 거동에 있어, 온도가 상승하면 두 상이 서로 섞여 하나의 상이 되는 경우를 UCST(Upper Critical Solution Temperature)라 한다. 이와 반대로 온도가 내려가면 하나의 상이 되는 경우를 LCST라고 한다. 이 온도는 고분자의 종류와 분자량, 흡수하는 용매의 종류 등에 따라 변할 수 있다. pNIPAM의 경우 약 32℃ 이하의 온도에서 수소결합을 통해 주위의 물을 흡수해 하나의 상이 되며 팽창하는 LCST를 갖는다.

5. 이종집적(Heterogeneous integration)

반도체 물질을 서로 다른 이종의 기판 위에 집적 시키는 공정. 열과 압력을 가해 이종집적을 하는 웨이퍼 본딩(wafer bonding), 이종 기판 위에 격자 구조를 고려하며 직접 성장 시키는 에피택시얼성장(epitaxial growth), 스탬프를 이용하여 찍어내듯 이종집적을 하는 전사 프린팅(transfer printing) 등이 있다.

[붙임] 그림설명