The adoption of polymer substrates is inevitable in future electronic devices which require large deformable properties, such as wearable, stretchable, and flexible. Accordingly, various thin film deposition and transfer technologies have been studied in recent years. However, almost the whole previous technologies were limited to 2D planar substrate applications, and not suitable for utilizing 3D curved or cylindrical substrates. Here, we demonstrated a thin film rolling method that can transfer thin films on 3D cylindrical substrates. The thin film rolling method can be accomplished easily by following procedures; 1) a thin film is floated on water surface, 2) the floating thin film is contacted with a cylindrical substrate, and 3) the cylindrical substrate is rotated, then the thin film is rolled up on the substrate through van der Waals interactions. In order to investigate transfer mechanism, the adhesion forces between cylindrical substrate-film and film-water were quantitatively calculated by surface energy measurement and theoretical models. Moreover, a thin film rolling equipment was developed for precise control of substrate diameters and the number of rotations. As an application, the electroactive actuator was designed by integrating the graphene-gold composite electrode on nafion tube using thin film rolling method. In addition, we evaluated the flexibility and stretchability of graphene-gold electrode integrated devices, and investigated the effects of graphene on mechanical reliability. Furthermore, thin film laminated free-standing tubes, and rolling super-capacitors were demonstrated. The proposed thin film rolling method enables facile and cost-competitive transfer of thin films on cylindrical substrates. Therefore, we strongly believe that this method can be adopted to various research areas and opens up new markets.
최근 차세대 전자기기는 웨어러블, 스트레처블, 플렉서블 등의 기계적 대변형을 요구하므로 폴리머 기판의 사용이 필수적이다. 이에 따라, 적합한 박막 증착 및 전사 기술에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 하지만, 지금까지 보고된 기술들은 2차원의 평면 기판을 이용한 것이 대부분이며, 3차원의 곡선 또는 원통형 기판의 적용은 한계가 있다. 본 연구에서는, 원통형 기판에 손쉽게 박막을 전사할 수 있는 회전식 박막 코팅 방법을 개발하였다. 이 기술은 물 표면에 박막을 띄우고 원통형 기판에 접촉시킨 후 기판을 회전시켜, 박막-기판 간의 반데르발스 (van der Waals)힘을 통해 박막을 기판으로 말아 올리는 방법이다. 이때 원통형 기판-박막-물 간의 접착력을 표면 에너지의 측정 및 이론적인 계산을 통해 정량적인 값을 도출하여 전사 원리를 규명하였다. 또한 원통 기판의 직경 및 감는 횟수를 정교하게 조절할 수 있도록 회전식 박막 코팅 장치를 구현하였다. 회전식 박막 코팅법을 이용한 응용으로 나피온(nafion) 튜브에 그래핀-금의 복합 전극을 적용하여 전기 활성 작동 장치를 개발하였으며, 그래핀-금 전극이 적용된 원통형 전자장치의 신축성 및 유연성을 평가하고, 그래핀이 기계적 신뢰성에 미치는 영향을 분석하였다. 더 나아가, 나노 두께 박막의 적층구조를 가지는 튜브와 원통형 슈퍼-커패시터(super-capacitor)를 구현하였다. 본 연구에서 개발된 회전식 박막 코팅 방법은 기존의 한계를 극복하여 원통형 기판에 박막을 손쉽게 전사할 수 있고, 비용 및 시간의 소모가 매우 적다. 따라서 본 기술을 통해 다양한 연구 분야로의 응용뿐 아니라 새로운 시장을 개척할 수 있을 것으로 확신한다.
