[주간 IT] 나노 크기 ‘반도체소자’ 양산 기술 등장

[이뉴스투데이 전한울 기자] 바야흐로 ‘나노의 시대’다. 

나노 입자는 머리카락 굵기의 10만분의 1 수준으로, 작아진 크기만큼 제작·생산 효율성을 높여 다양한 산업군에서 ‘핵심 소재’로 각광받고 있다.  

특히 최근 한파를 겪고 있는 국내외 반도체 업계는 ‘더 작고 더 강한’ 반도체 제작·생산을 목표로 초미세 공정을 통해 나노 경쟁을 벌이고 있다. 반도체 회로를 줄여 처리속도는 높이고 전략모소는 줄이는 방식이다.

이처럼 나노 크기의 물리·화학 센서부터 미터 크기의 에너지 수확 소자까지 전자 소자에 적용되는 소재·구조 형태가 점점 더 복잡한 형태로 발전하고 있다.

학계가 범용성이 높은 3차원 구조체 제작 기술 개발에 관심을 갖는 이유다.

현재 개발되고 있는 인쇄 방법 중 기계적 좌굴을 이용한 인쇄 방식은 얇은 곡면 형태의 복잡한 3차원 형상을 높은 자유도로 제작함과 동시에, 제작된 구조체를 원래 형상으로 되돌릴 수 있다는 이점으로 차세대 인쇄 기술로 각광받고 있다.

다만 현재 사용되는 기계적 좌굴 기반의 3차원 인쇄 기술은 2차원 구조체 전사 공정의 불안정성과 나노구조체 설계의 어려움으로 인해 마이크로 크기보다 큰 3차원 구조체만 제작할 수 있다는 한계를 갖고 있다.

기존 한계를 해결하기 위해 ‘전자빔 리소그래피(electron beam lithography)’를 이용해 2차원 형상을 구현하고 물에 녹는 접착 필름을 사용해 신축 기판 위에 3차원 구조체를 인쇄하는 기술 등이 개발되고 있다. 다만 △높은 제작 비용 △밀리미터 크기 이하의 좁은 인쇄 면적 △낮은 공정 신뢰성으로 인해 보편적 기술로 발전하기엔 어려움이 상존한다.

학계 전문가들은 복잡한 3차원 형상으로 설계된 나노구조체를 실제로 구현하는 제작 기술이 나노구조체를 기반으로 한 고성능 △광학 △전자 △바이오 소자 발전에 막대한 영향을 끼칠 것으로 내다보고 있다.

전산업군에 걸쳐 ‘나노 활용성’이 증폭되고 있는 가운데, 국내 연구진이 기존 한계를 해결한 ‘차세대 3차원 나노구조체 인쇄술’을 개발해 화제다. 

박인규 KAIST는 기계공학과 교수와 정준호 한국기계연구원(KIMM) 전략조정본부장 공동연구진은 최근 신축 기판 위 2차원 나노구조체의 안정적 구현과 인쇄될 기판의 표면 마이크로 구조 설계를 통해 3차원 나노구조체의 인쇄 가능성을 처음으로 규명했다.

연구진은 나노 크기까지 안정적으로 2차원 구조체를 인쇄할 수 있는 나노전사 인쇄 기술과 신축 기판에 가해진 압축력에 의해 좌굴된 최종 형상을 예측할 수 있는 설계 기법을 개발했다. 기존 한계를 개선한 ‘차세대 3차원 나노구조체 인쇄 기술’이란 평이다. 

공유 결합 기반의 나노 전사 인쇄 기술은 탄성중합체 기판 위에 50 나노미터 선폭을 갖는 금속·세라믹 물질의 안정적인 전사를 가능케 했다. 또한, 인쇄될 물질의 선택적인 접착과 좌굴을 용이하게 하고 접합부의 형상을 제어해 기판의 국부적인 신장률을 설계할 수 있음을 규명했다. 

이를 통해 3차원 좌굴 구조체의 △변형 정도 △방향성 △모드를 제어함으로써, 3차원 구조체의 형상을 설계·예측할 수 있는 나노 크기 인쇄법을 고안했다. 

연구진은 이번 3차원 나노구조체 인쇄 공정이 나노 크기의 무기물 물질을 설계·제작하고, 실제 응용 소자에 적용할 수 있음을 증명했다.

박인규 교수는 “이번 개발한 3차원 인쇄 기술은 나노구조체 제작 공정의 본질적인 낮은 범용성과 대량생산 한계를 해결할 수 있을 것으로 기대된다”면서 “추후 반도체 소자를 포함한 다양한 나노 전자 소자 제작에 활용될 것”이라고 말했다.