화학공학/고분자공학부 김태일 교수 연구팀,
차세대 스트레처블 디스플레이를 위한 방열 필름 개발
- 늘어나고 휘어져도 안정적으로 열전도성을 유지할 수 있는 방열 필름 개발
- 차세대 전자기기의 성능과 수명을 향상시킬 것으로 기대

화학공학부 김태일 교수 연구팀이 차세대 스트레처블 디스플레이를 위한 방열 필름을 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 기존의 스트레처블한 고분자 필름 내에 질화붕소입자를 마이크로 피라미드 구조로 정렬함으로써 열을 수직 및 수평 방향으로 빠르게 전달할 뿐만 아니라 필름의 변형에도 높은 열전도성을 유지할 수 있는 필름을 개발하였다. 

전자기기의 성능과 수명을 유지하기 위해선 효과적으로 열을 제어해야 하는데, 최신 전자기기들은 고성능, 소형화, 고집적화되면서 과도한 열을 발생시키고 있다. 특히 발열 문제는 차세대 기술로 주목받고 있는 휘고 잡아당길 수 있는 디스플레이소자의 발전에 가장 큰 걸림돌이 되어 왔다. 

[그림 1] 본 연구에서 사용한 스트레처블 방열필름 구조 (왼편)와 제작된 시제품 (우측)사진.

일반적으로 휘고 잡아당길 수 있는 소자를 위한 기판은 모두 열전달율이 낮은 고분자소재로 이루어져있다. 유연한 고분자일수록 열전달율이 더 낮아지는 물리적 한계 때문에 유연소자의 방열 관련 해결책은 거의 없었으며, 열화가 쉬우며 쉽게 손상되는 특성 때문에 열화방지를 위한 소자동작 구간이 매우 제한적이었다.

이에 연구팀은 기존의 스트레처블한 고분자 필름 내에 높은 열전도성과 절연특성을 가진 질화붕소 나노입자를 필름의 상부와 하부를 잇는 마이크로 피라미드의 구조에 정렬하여, 제한된 나노소재의 양을 사용하더라도 마이크로LED등의 소자에서 발생한 열이 피라미드 구조를 따라 빠르게 수직(1.15 W/mK), 수평방향(11.05 W/mK)으로 전달될 수 있음을 연구논문으로 밝혔다. 필름 내부의 피라미드 구조는 수직 열전도도를 향상 시킬뿐만 아니라 스트레처블 고분자필름에 기계적 안정성을 부여하여 필름이 왜곡되거나 외부자극에 의한 변형에도 안정적으로 열전도성을 유지할 수 있도록 하였다.  

[그림 2] 본 연구에서 사용한 스트레처블 방열필름을 50% 잡아당겼을 때의 단면 구조의 변화를 확인하여 

외부 자극이 가해져도 필름이 변형되거나 필름내의 층간 박리가 일어나지 않음을 보여줌.

나아가 바코팅 공정과 전사 공정 등 간단한 상온 공정만을 이용하기 때문에 대면적 제작이 가능하다. 본 연구에서는 스트레처블 방열 필름을 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET)와 스트레처블 LED의 기판으로 사용하여 효과적인 열방산을 통해 전자소자의 성능을 향상시킬 수 있음을 입증하여 향후 차세대 전자소자에서 사용할 수 있는 길을 열었다.

[그림 3] 본 연구에서 개발한 방열필름을 유연한 MOSFET의 기판으로 사용하여 

효과적인 열방산을 통해 사용하지 않았을 때와 비교하여 소자의 성능이 향상됨을 입증함.

연구의 주저자인 홍혜린 연구원은 “이번 연구결과는 향후 고특성 전자소자로 적용이 가능하다”라고 밝혔고, 교신저자로 참여한 김태일 교수는 “본 연구는 비단 유연소자뿐만 아니라 마이크로LED등의 다양한 모바일소자 및 바이오소자로의 적용이 용이해질 것”이라고 밝혔다.  

본 연구는 나노융합2020연구단의 지원을 받아 수행되었으며, 재료 분야 세계적 학술지인 'Advanced Functional Materials' (IF 13.325)에 지난 6월 18일(화) 온라인 발표되었다. ㈜대안화학은 본 연구를 상용화 진행 중이다.

[그림 4] 본 연구에서 개발한 방열필름을 스트레처블 LED의 기판으로 사용하여 차세대 스트레처블 전자기기의 

방열 소재로의 적용 가능성을 보여줌. 동일한 전력을 가했을 때 기존에 사용되던 형태의 스트레처블 고분자 필름과 

복합체 필름에 비해 스트레처블 방열 필름은 가장 낮은 온도 변화를 보여줌.