고성능 센서 등 인쇄전자기기
대량 양산에 활용 가능

카이스트 연구진이 그동안 물리적 한계라고 여겨졌던 10나노급의 고정밀 전사프린팅 기술을 세계 최초로 개발하는데 성공했다(10나노미터(㎚)는 1억 분의 1미터로서 사람 머리카락 굵기의 만 분의 일에 해당하는 크기다). 이 기술을 활용하면 고밀도의 전자/디스플레이 부품을 저비용으로 인쇄하여 양산하는 것이 가능하다. 본 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프론티어사업(스마트IT융합시스템연구단(단장 경종민))의 지원으로, 카이스트 정연식 교수와 박사과정 정재원 학생이 주도적으로 개발했으며, 세계적인 학술지인 네이처 커뮤니케이션스紙에 11월 6일자로 온라인 공개됐다.
취재 | 오석균 기자(printingtrend@gmail.com)

해당 연구팀에서 개발한 초미세 나노 프린팅 기술을 이용하면 고성능 센서 등의 기기를 간단한 인쇄 방법으로 대량 생산할 수 있게 된다. 또한 모두 펼쳐 놓으면 축구장 넓이에 해당하는 팔만대장경을 초미세 프린팅 기술로 A4지 한장에 축소 인쇄하는 것도 원리적으로 가능하게 된다. 인쇄전자기기의 제조에 활용되는 프린팅 공정은 보통 마스터 패턴의 복제와 전사 인쇄 공정으로 이루어지는데 그동안 10나노급의 미세 프린팅 기술은 패턴의 복제와 전사가 모두 물리적으로 어려워 그동안 개발되지 못하고 있었다.

카이스트 연구진은 미세 패턴의 복제 능력이 탁월한 고분자를 고안하고, 표면 접착력을 선택적으로 약화시켜 인쇄하는 원리를 개발하여, 거의 모든 표면에 적용가능한 초미세 인쇄 기술을 구현하는 데 성공했다. 이번에 개발된 기술을 활용하여 연구팀은 폭발성 가스의 빠른 감지 기능이 있는 고성능 센서를 프린팅하여 동작시켰으며, 또한 과일표면에 존재하는 극미량의 잔류 농약을 비파괴적으로 빠르게 검출하는데에도 성공했다. 향후 추가 연구를 통하여 수초 이내에 잔류농약 유무의 확인이 가능한 기술을 실용화할 예정이다. 농산물의 잔류농약 검출에는 크로마토그래피와 분광 분석 등에 통상 수시간이 필요했었다. 본 연구에는 나노구조 가역복제 원천기술을 보유한 나노종합기술원(원장 이재영)의 박재홍 박사, 표면증강 라만산란 분석 전문가인 한국과학기술연구원(원장 이병권)의 이승용 박사, 그리고 센서 전문가인 카이스트의 박종욱 교수가 공동 참여했다.

연구배경
차세대 트랜지스터, 센서, 메모리 등 고성능의 차세대 나노 소자는 그 뛰어난 성능과 활용도로 인해 높은 미래 잠재성을 가지고 있다. 이러한 차세대 나노소자에 있어 그 핵심 소재는 기존 벌크 소재에선 나타날 수 없는 물리적 성질이나 높은 기능성을 나타내는 나노 소재라 할 수 있다. 초미세 나노 제조 기술은 이러한 고성능의 차세대 나노 소자 제작에 있어 필수 기술로 간주 되고 있다.

현재까지 개발되어온 다양한 나노 제조 기술 중, 탄성 몰드를 이용하는 나노전사 프린팅 기술은 저비용의 간편한 공정으로 기능성 물질의 나노 구조체를 쉽게 제작할 수 있으며 양산성이 우수해 차세대 나노 제조 기술로서 큰 미래 잠재성을 보여주고 있다. 특히 기존 패터닝 기술로는 소제 제작에 어려움이 있는 플렉서블(유연) 기판 상에 나노 구조체를 형성하는 것이 가능하기 때문에 최근에 각광받고 있는 플렉서블 혹은 웨어러블 기기 제작에 유용할 것으로 기대되며, 다양한 분야로의 응용 또한 가능할 것으로 기대되고 있다.

기존의 나노 전사 프린팅 기술은 몰딩을 통해 표면에 나노 패턴이 형성된 PDMS (polydimethlysiloxane) 등의 탄성 몰드를 제작하고, 표면에 기능성 물질을 증착함으로써 나노 구조체를 형성한다. 이러한 기존 기술은 낮은 복제 분해능과 프린팅 과정에서 탄성 몰드의 변형 현상 때문에, 일반적으로 분해능이 약 수백 nm 정도가 한계다. 또한, 기존 기술의 경우, 나노 구조체와 탄성 몰드간 높은 접착력으로 나노 구조체의 전사 프린팅이 원활하게 이루어 지지 못하는 문제점이 있어왔다. 이러한 이유로, 20 nm 이하 수준의 높은 분해능을 가지며, 다양한 기판 상에 전처리 없이도 프린팅이 가능한 새로운 나노 전사 프린팅의 개발이 필요성이 꾸준히 제기되어 왔다.

연구내용
연구팀은, 기존 탄성 몰드와 달리 표면에너지가 높은 고분자의 경우 매우 미세한 표면 패턴까지도 복제가 가능하다는 것을 발견하고, 고분자 박막 코팅을 통해 표면 패턴을 복제함으로써 10 nm 이하 수준의 초미세 나노 소재를 제작 할 수 있는 제반 기술을 개발하는데 성공했다. 또한, 증기 상태의 유기 용매가 제공될 경우 서로 다른 두 고분자 박막이 매우 쉽게 분리된다는 원리를 발견하고, 이를 이용하여 표면 전처리 없이도 다양한 기판상에 나노 소재를 전사시킬 수 있는 새로운 전사 프린팅 기술을 개발했다.

이번에 개발된 새로운 나노 전사 프린팅 기술은 두 단계의 연속된 공정으로 이루어진다. 첫 번째 단계에서는 고분자 필름을 표면 요철 패턴이 있는 템플릿기판에 코팅 한 후, 접착 필름을 이용해 떼어냄으로써 복제 박막 몰드를 형성하고, 박막 몰드 표면에 기능성 물질을 증착하여 나노 구조체를 형성한다. 고분자 박막들은 도포 과정에서 템플릿 표면의 나노 패턴을 10 nm 이하 분해능으로 복제하며, 이를 이용하여 10 nm 이하급 초미세 나노 구조체를 형성할 수 있다. 두 번째 단계에서는 유기 용매 증기를 접착 필름과 복제 박막 몰드간 계면에 제공하여 두 고분자 필름간 접착력을 선택적으로 감소시킴으로써 나노 구조체를 다양한 기판 상에 전사시킨다.

기대효과
연구팀이 개발한 새로운 나노 전사 프린팅 기술은 고분자 박막 코팅을 통해 10nm 이하 수준의 표면 패턴 복제 및 나노 구조체 제작이 가능하며, 유기 용매 증기를 이용한 접착력 제어 방식을 도입함으로써 다양한 기판 상에 쉽게 나노 구조체 형성이 가능하다. 특히, 플렉서블, 굴곡진 기판 혹은 요철이 있는 기판 등의 기판 위에도 나노 소재 제작이 가능해, 고성능의 플렉서블 혹은 웨어러블 전사 소자 제작에 매우 유용할 것으로 기대된다. 또한, 현재 반도체 소자 제조에 활용되는 광기반 리소그래피 기술과 비교 했을 때, 초기 투자비용과 공정 비용이 현저히 낮다는 면에서도 소자 제작 비용을 현저히 낮출 수 있는 혁신적인 기술로 평가된다.

<출처 월간PT>