한국전기연구원(www.keri.re.kr)
밀양나노센터_오현석 센터장
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개요

나노미터(10억분의 1미터)급의 미세한 무늬를 대면적의 반도체 및 LCD 등의 기판이나 태양전지 등에 대량으로 정밀 인쇄할 수 있는 첨단 기술이 국내연구진에 의해 세계 최초로 개발됐다.
한국전기연구원(이하 KERI) 산업연구본부 오현석 박사팀과 ㈜상진미크론, ㈜쓰리에스엠케이, ㈜뉴옵틱스가 4년간 150억 원의 연구비를 투자한 끝에 이음매 없는 원통형 나노금형 제작 일괄 공정 기술 개발에 성공한 것이다.
이 기술의 핵심은 세계 최초로 시도된 자기부상기술 및 전자빔을 결합한 신개념 원통형 나노노광장비, 그리고 플라즈마 기술을 이용한 원통형 나노식각 장비를 이용해 원통 금형 표면에 직접 나노 구조물을 제작하는 기술이다.
이 기술 개발로 향후 반도체/디스플레이 양산의 패러다임을 변화시켜 우리나라가 세계 시장을 주도하는 데 크게 기여하는 한편, 입는 컴퓨터와 접을 수 있는 디스플레이와 같은 차세대 신기술 제품 출현을 앞당기는 중요한 계기가 될 것으로 전망된다.

기술 개발 배경

차세대 태양전지 소자, 차세대 시스템 반도체, 디스플레이용 고휘도 광학필름 소자 등의 양산을 위해선 기판 위에 나노미터(10억분의 1미터) 크기의 미세 무늬(나노패턴)를 대면적으로 연속해서 인쇄할 수 있는 기술이 필요하다.
그러나 일반적인 노광 공정(<그림 1- ㈎> 참조)으로는 증착, 노광(마스크), 현상, 식각 등의 기본 공정을 수차례 내지 수십 차례에 걸쳐 반복해야만 하며, 나노미터 단위의 초정밀 인쇄를 실현할 수 없다.
따라서 현재까지는 평판형 임프린트 공정을 통해 나노패턴이 새겨진 평판 금형을 이용해 소형 기판위에 마치 도장을 찍듯이 눌러서 새길 수밖에 없었기에 나노패턴 인쇄를 위해 상당한 시간이 소요됨은 물론, 큰 면적으로 인쇄하는 데도 한계가 많았다(<그림 1- ㈏> 참조).

 

현재 주로 연구되고 있는 평판형 임프린트 공정의 한계는 대면적 적용 시 패턴의 균일도 문제와 평판형 대면적 스탬프의 제작 비용 상승이다.
결국 패턴이 불연속(끊김)하게 인쇄되거나, 일정범위의 오차가 나타나는 것을 허용하면서 작은 면적의 나노패턴을 이어붙이는 짜깁기 방법을 시도하는 곳도 있으나 여전히 적정 품질수준을 확보하지 못하고 있는 상황이다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서는 원통형 나노인쇄 공정(<그림 1- ㈐> 참조)의 적용이 절실히 요구되어진다.

 

원통형 나노인쇄 공정의 장점 ① 대면적 적용 시 패턴의 균일도 확보 용이 ② 이음매 없는 원통 금형을 이용한 대면적화에 유리 ③ 롤투롤 공정 적용을 통한 증착-임프린트-식각 연속공정 적용 가능 ④ 기존 반도체 제품 생산의 패러다임 변혁 가능

핵심 기술

기판 위에 나노미터급 패턴을 대량 인쇄하기 위한 기술은 전 세계적으로 유럽과 일본이 연합해 국제공동연구개발 프로젝트를 추진하는 등 이미 국내외 굴지의 기업 및 연구소들이 관련 기술 개발에 심혈을 기울이고 있다. 그러나 아직까지 업계의 요구를 만족시킬 만한 생산 장비나 기술이 출현하지 않고 있다. 이러한 상황에서 KERI는 그동안 자기부상열차 개발 등을 통해 축적해 온 초정밀 자기부상 기술을 기반으로 관련 산업의 변혁을 몰고 올 해당 기술의 개발에 성공했다.

 

연구팀은 나노패턴 인쇄를 위한 나노금형 제작이라는 난제 해결을 위해 초정밀 자기부상 기술을 적극 활용했다. 자기부상 기술로 진공에서 공중에 띄운 원통모양의 금형 소재를 나노미터급으로 초정밀하게 회전 및 이송시키면서 빛(전자빔)으로 가공해 나노패턴을 원통 금형의 둘레에 이음매 없이 인쇄할 수 있도록 하는 나노노광 장비를 개발했다. 아울러 플라즈마 기술을 이용한 원통형 나노식각 장비를 개발해 원통 소재의 금속 표면에 나노 구조물을 새기는 데 성공했다.

일괄 공정 시스템

KERI에서 개발한 일괄 공정 시스템은 크게 ▲ 원통 소재의 표면 연마 기술 및 감광제 도포 기술 ▲ 자기부상과 전자빔을 이용한 원통형 나노노광 기술 ▲ 플라즈마 공정을 이용한 원통형 나노식각 기술 등 3가지 요소로 구성된다.

 

나노패턴을 갖는 원통형 금형 제작을 위해서는 가장 먼저 표면 거칠기가 수 나노미터를 갖는 원통 소재의 가공 및 감광제의 도포 공정이 필수적이다. 이번 연구에서는 국내 업체와 공동으로 원통 연마 장비 및 감광제 도포 장비를 제작해 나노노광 공정에 적용 가능한 원통형 기판의 제작에 활용했다.
원통 금형 표면에 전자빔을 이용해 나노패턴을 구현하기 위해, KERI가 보유한 자기부상 기술을 응용했다. 진공 속에서 원통모양의 금형 소재를 공중에 띄워서 나노미터급으로 정밀하게 회전 및 이송할 수 있는 기술을 개발했으며, 이 기술을 이용한 원통형 나노노광 장비도 개발했다(<그림 3> 참조).
또한 이번에 개발된 원통형 나노노광 장비를 이용해 길이 300㎜, 직경 100㎜의 원통 표면에 피치 400㎚, 선폭 260㎚ 크기의 나노패턴을 구현하는 데 성공했다(<그림 4> 참조).

 

이러한 일괄 공정 기술을 이용해 제작한 대면적 원통형 나노금형을 이용하면 마치 롤러로 굴리듯이 차세대 반도체 소자나 디스플레이용 필름 및 태양전지의 기판 등에 나노패턴을 대면적으로 연속 인쇄할 수 있다.
나노노광 공정을 이용해 구현된 나노패턴은 감광제로 제작되어 양산에 필요한 내구성을 갖지 못한다. 따라서 본 연구에서는 KERI가 보유한 플라즈마 공정 관련 원천 핵심 기술을 이용해 원통 소재 금속 표면에 나노 구조물을 식각할 수 있는 플라즈마공정 장비를 개발했다. 본 장비는 식각 공정뿐만 아니라 이온 가공을 이용한 표면 연마, 증착, 표면 개질 등 다양한 공정을 한 챔버에서 연속적으로 구현이 가능하다.

일원통형 나노금형의 활용

연구팀은 이번에 개발된 원통형 나노금형을 이용하면 차세대 태양전지, 차세대 반도체, 차세대 디스플레이, 위조방지 분야 등에 직접 적용이 가능할 것으로 기대하고 있다.

1. 차세대 태양전지

기존의 태양전지는 반도체 공정과 유사해 양산 단가가 매우 높아 경제성이 떨어지는 단점이 있다. 그러나 원통형 인쇄 공정을 이용하면 저가의 태양전지를 대량 생산할 수 있다. 또한 특수한 패턴을 이용하면 광 흡수율을 높여 고효율의 태양전지도 생산할 수 있다. 이번 기술을 적용한 나노태양전지는 비닐처럼 유연한 박막 소재에 원통 인쇄 공정에 의해 낮은 비용으로 대량 생산할 수 있고, 변환효율이 매우 높아 경제성도 충분하다. 최근에 발표된 나노안테나를 이용한 나노태양전지(www.gizmag.com, <그림 7> 참조)는 태양의 가시광선뿐만 아니라 적외선도 흡수할 수 있어 변환효율이 무려 80%에 달한다.

 

2. 차세대 반도체

우선 기존에는 하나의 반도체 제품 제작을 위해서는 증착, 노광(마스크), 현상, 식각 등의 기본 공정을 수 차례 내지 수십 차례에 걸쳐 반복해야만 한다. 그러나 원통형 인쇄 공정을 이용하면 반도체 생산과정에서 회로 패턴을 그리는 노광(마스크) 공정 없이 제작이 가능하다. 따라서 공정비용 및 생산단가를 낮출 수 있어서 저비용으로도 반도체 제품을 생산할 수 있다.

3. 차세대 디스플레이

원통형 인쇄 공정은 대면적 디스플레이 산업의 고생산성과 고정밀화 요구에 대응할 수 있다.
기존 LCD TV에 사용되는 여러 장의 필름을 나노패턴이 새겨진 1개의 특수광학필름으로 대체해 LCD 패널에 소요되는 구성품을 줄일 수 있다. 특히 3M에서 독점적으로 공급하고 있는 휘도 향상 필름(DBEF)을 대체할 수 있는 필름도 대량 생산이 가능하게 되어 이 분야에서만 5,000억 원 이상의 수입 대체 효과를 거둘 수 있다. 또한 3D 영상으로 유명해진 영화 '아바타'의 인기몰이에 힘입어 올해 삼성, LG, 소니, 파나소닉 등의 대형 디스플레이 업체를 중심으로 경쟁적으로 출시되고 있는 3D TV의 핵심부품인 특수편광필터와 렌티큘라(Lenticular) 렌즈를 대량으로 생산할 수 있다. 향후 2018년 170억 달러로 성장될 것으로 예상되는 3D TV 시장 점유율을 높이기 위한 저가격화와 보급화에 기여할 것으로 기대된다. 아울러 영화 '마이너리티 리포트'에 등장한 투명 디스플레이 기술의 핵심부품인 투명박막 AMOLED 구동소자를 대면적 필름형태로 생산할 수가 있게 되어 항공기, 열차, 자동차 등의 전면 유리창에 활용될 수 있는 HUD(Head Up Display)나 회사 및 가정집에서 활용될 수 있는 '스마트 창'등의 신제품을 대량으로 값싸게 양산할 수 있게 된다. 실제 삼성전자는 최근 'CES 2010'에서 이 투명 AMOLED 구동소자를 이용한 투명 디스플레이 노트북을 소개해 큰 관심을 불러 일으켰다.

4. 위조방지 제품 제조

원통형 인쇄 공정을 홀로그램 패턴 제작에 적용하면 복사를 어렵게 만들어 신분증, 신용카드, 회사보안카드 등과 같은 플라스틱 카드 재질의 보안 제품과 지폐, 상품권 등과 같은 종이 재질의 금융 관련 보안 제품 그리고 가방, 화장품, 주류 등과 같은 고가 명품의 복제 방지를 위한 보안 제품 개발에 활용이 가능하다.

 

향후 계획

연구팀은 이번 기술 개발과 관련해 핵심 공정 및 장비와 관련한 원천 기술을 독자적으로 확보해 총 12건의 국내외 특허를 출원해 놓고 있다. 현재 오현석 박사팀은 밀양나노센터 내에 구축된 청정실에서 대면적 원통형 나노금형 및 관련 공정 장비의 시장출시를 앞두고 있다.

 

이번 기술은 미국의 유력 공정 장비 기업인 비스텍(Vistec Lithography. Inc)社가 KERI의 연구성과를 보고 공동회사 설립을 제안할 만큼 국내외에서도 많은 관심을 보이고 있다. 생산성과 효율이 제한적인 평판 인쇄 기술 대신 원통형 나노금형을 이용한다는 점에서 향후 태양전지, 반도체, 디스플레이 양산의 패러다임은 크게 변화할 것이다. KERI와 비스텍社는 3월 31일 인력 및 기술 정보 교류, 공동연구 및 사업화 추진에 관한 MOU를 맺고 기술 개발에 협력하고 있다.

 

노광(露光) 공정(Optical Lithography) 필름에 빛을 가해 인화지 위에 형상을 만드는 사진 제조 과정과 같이 반도체나 LCD 제조 공정에서 회로도가 그려진 포토마스크(필름)에 빛을 가해 LCD 유리 기판, 반도체 웨이퍼 위에 회로 패턴을 그리는 과정이다.

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