나노 단위의 균열(crack)을 조절해 세밀한 무늬를 그릴 수 있는 기술이 개발됐다. 기존 미세패턴 제작 공정을 그대로 쓰며, 빠르고 정밀해 나노기술 보급에 크게 기여할 전망이다.
김태성 UNIST 기계 및 원자력공학부 교수팀은 반도체 등에 미세패턴을 그리는 공정에서 생기는 초미세 균열을 인위적으로 생성하고 제어하는 기술을 개발했다. 이 기술을 활용하면 10일 정도 걸려야 완성되던 나노 패턴을 30분 만에 만들 수 있다. 균열의 길이와 두께 등도 자유롭게 조절할 수 있다.
현재 미세패턴은 ‘포토리소그래피(photolithography)’ 공정으로 만든다. 빛에 반응하는 물질을 바른 뒤 원하는 무늬를 새긴 마스크로 덮고, 자외선(UV) 등의 빛을 쬐어주는 것이다. 이렇게 하면 빛을 받은 부분만 딱딱해져 나머지 부분만 현상액 등으로 깎아낼 수 있다.
그러나 이 방식으로는 마이크로(㎛, 1㎛=100만 분의 1m) 단위까지 무늬를 그릴 수 있다. 나노(㎚, 1㎚=10억 분의 1m) 단위의 무늬는 전자빔 식각(e-beam lithography) 등 고가의 장비를 써야 한다. 이 방식을 써도 제작 면적이 좁고 처리 시간과 비용이 많이 들어 비효율적이었다.
김태성 교수팀은 포토리소그래피 과정을 그대로 쓰면서 나노 단위의 무늬를 새길 수 있는 방법을 찾아냈다. 포토리소그래피 공정을 이용해 마이크로 단위로 원형이나 삼각형 등 다양한 구조체를 만들어 넣어 균열의 시작과 끝, 방향까지 조정한 것이다. 쪼여주는 빛 에너지의 양에 따라 균열을 자유롭게 조절할 수 있다는 게 이번 연구의 특징이다.
균열 형성 및 제어 원리와 크랙-포토리소그래피 공법으로 제작된 다양한 마이크로-나노 복합 패턴
우선 무늬를 새길 물질의 윗부분을 딱딱하게 만든다. 이렇게 하면 빛을 쬐어준 뒤 현상액에 담기는 순간 아랫부분이 부풀면서 윗부분에 틈이 생긴다. 부푸는 동안 모든 방향으로 동일한 힘이 작용하므로 마이크로 구조체를 어떻게 만드느냐에 따라 무늬를 자유롭게 조정할 수 있다. V자형이 생긴 자리에서는 힘이 쉽게 모이므로 균열이 시작되고, U자형에 닿으면 멈추게 된다. 이를 이용하면 가로, 세로뿐 아니라 대각선 등 모든 방향으로 균열을 만들 수 있다.
이 논문의 제1저자 김민석 박사과정 연구원은 “이 기술은 고가의 나노공정 장비 없이 포토리소그래피 공정만 이용해 마이크로-나노 단위의 복합적인 무늬를 대면적으로 만들 수 있다”며 “기존에 반도체 제작 공정에서 쓰이던 포토리소그래피 대량생산 자동화 장비를 그대로 활용할 수 있어 효율성이 매우 높다”고 설명했다.
연구진은 100원짜리 동전 면적에 수도권 지하철 노선도를 새겨 복잡한 마이크로-나노 무늬를 선보였다. 이런 복잡한 무늬도 넓은 기판에 자동으로 새길 가능성이 열린 것이다. 김 연구원은 “현재 6인치 대면적 웨이퍼에 나노 단위로 무늬를 새기려면 전자빔 식각으로 대략 10일 정도 걸린다”며 “이번에 개발한 ‘크랙-포토리소그래피(crack-photolithography)’ 기술을 이용하면 30분 만에 할 수 있고, 더 큰 웨이퍼를 사용하면 광범위하게 작업할 수도 있다”고 말했다.
100원짜리 동전 크기로 그린 ‘서울지하철 노선도’. 지하철 역과 역 이름은 포토리소그래피 공법으로 만든 마이크로 패턴이다. 이 사이를 연결해 주는 노선은 ‘균열발생영역(회색)’으로 만들어 인위적으로 균열을 만들었다.
김태성 교수는 “균열을 제어해 제작한 마이크로-나노 복합 구조체는 기존의 복잡하고 비효율적인 나노공정의 새로운 대안”이라며 “소재는 물론 기계, 전기, 전자, 바이오, 화학, 환경, 에너지 등 전 산업분야에 걸쳐 혁신적인 변화를 몰고 올 것”이라고 전망했다. 그는 이어 “이번 연구는 기계공학, 재료공학, 나노․바이오공학 등 다양한 학문기술의 융․복합이 필요한 주제”라며 “국내 연구진이 단독으로 개발한 융합 연구의 좋은 선례”라고 덧붙였다.
이번 연구결과는 2월 18일자 네이처 커뮤니케이션에 게재됐으며, 한국연구재단의 일반연구자지원사업 및 중견연구자지원사업(도약연구)의 지원을 받아 진행됐다.
