우리 연구진이 3차원 반도체 소자를 구현할 수 있는 나노 인쇄 기술 개발에 성공했다.
한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 박인규 기계공학과 교수와 정준호 한국기계연구원 전략조정본부장 공동연구팀이 '차세대 3차원 나노구조체 인쇄 기술'을 개발했다고 4일 밝혔다.
연구팀은 신축 기판 위에 2차원 나노구조체를 안정적으로 구현하고, 기판 표면 마이크로 구조 설계를 통해 3차원 나노구조체를 인쇄할 수 있음을 처음으로 선보였다.
현재 개발되는 인쇄 방법 중, 기계적 좌굴(기둥 양단에 가하는 압력이 일정 수준을 넘으면 갑자기 휘는 현상)을 이용한 인쇄 방식은 얇은 곡면 형태 3차원 형상을 제작할 수 있고, 다시 되돌릴 수 있다는 이점 덕분에 차세대 인쇄 기술로 주목받는다.
또 금속, 세라믹 등 다양한 재료와 소자에 적용할 수 있고, 설계된 대로 정확하게 구현할 수 있다. 그러나 현존 기계적 좌굴 기반 3차원 인쇄 기술은 2차원 구조체 전사 공정 불안정성, 나노구조체 설계 어려움으로 마이크로 스케일보다 큰 3차원 구조체만 제작할 수 있다.
이를 해결하기 위해 '전자빔 리소그래피'를 이용해 신축 기판 위에 3차원 구조체를 인쇄하는 기술 등이 개발되고 있지만, 높은 제작 비용, 밀리미터 스케일 이하 좁은 인쇄 면적, 낮은 공정 신뢰성 등 문제가 있다.
연구팀은 나노 스케일까지 안정적으로 2차원 구조체를 인쇄할 수 있는 나노 전사 인쇄 기술을 개발했다. 또 신축 기판 최종 형상을 예측할 수 있는 설계 기법을 개발해 차세대 3차원 나노구조체 인쇄 기술을 구현했다.
탄성중합체 기판 위에 50나노미터(㎚) 선폭을 갖는 금속·세라믹 물질을 안정적으로 전사할 수 있게 됐다. 또 3차원 좌굴 구조체 변형 정도, 방향성, 모드(mode)를 제어함으로써 3차원 구조체 형상을 설계하고 예측할 수 있는 나노 스케일 인쇄 방법을 고안했다. 개발된 3차원 나노구조체 인쇄 공정은 유독성·폭발성 가스 감지 고성능 신축 가스 센서 제작에도 응용됐다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단 중견연구자지원사업, 극한물성시스템 제조플랫폼기술 지원을 받아 수행됐다.
안준성 KAIST 기계공학과 박사후연구원이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 저명 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈' 2023년 2월 온라인판에 출판됐다.
김영준기자 kyj85@etnews.com
