[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

‘소재 패터닝(patterning) 기술’은 전자, 광전자 및 에너지 소자를 제작하기 위한 필수 전제 조건으로 여겨진다. 고해상도의 패턴을 제작하기 위해 리소그래피, 레이저 및 e-beam 프린팅과 같은 다양한 기술들이 개발돼 활용되고 있다. 그러나 이러한 공정들은 높은 비용과 복잡한 공정, 긴 처리시간 등으로 3차원 구조체 제작에는 적합하지 않을 수 있다. 최근 여러 광학 3D 프린팅 기술이 개발돼 비용과 공정에 있어 효율적인 방식이라고 소개되고 있다. 그러나 대부분 ‘광경화성 고분자를 포함해야 한다’는 소재적인 한계점이 있어 응용 분야가 제한적이다.

대부분의 무기소재 광학 프린팅 기술은 광경화성 고분자와 무기물 첨가제의 복합체를 사용해 진행됐으나, 잔류 유기물로 인해 전기적 물성의 저하라는 문제가 있다. 따라서 광경화성 고분자 없이 순수 무기 소재의 프린팅 기술 개발이 필연적이며 응용 분야의 확대를 위해 금속 칼코게나이드와 같은 반도체 소재군의 패턴화 기술 개발이 필요하다.

2. 연구내용

본 연구는 무기 소재의 광학 프린팅을 위해 광경화성 고분자 첨가를 하지 않는 광경화성 무기물 반도체 잉크 합성을 시도했다. 금속 칼코게나이드 전구체 (Chalcogenidometallate, ChaM) 용액을 합성 후, 광산 발생제(Photoacid generator, PAG)를 첨가해 광학 프린팅에 사용 가능한 광경화 특성을 부여했다. 해당 잉크의 비율과 용매 등을 최적화해 광학 프린팅에 적합한 분산성 및 농도를 확보했다. 또 광파장대역, 파워, 노출 시간 등 광학 프린팅 공정 조건을 확보하고, 프린팅된 구조체의 열처리 조건 조절을 통해 총 8종의 패턴 가능한 금속 칼코게나이드(Metal chalcogenide) 및 2차원 전이금속 다이칼코게나이드(2D Transition metal dichalcogenide) 소재군을 확보했다.

개발된 광학 프린팅 공정은 최소 해상도 약 25㎛를 가지며, 포토 마스크 제작 없이 디지털 마스크를 이용해 다양하고 복잡한 형상 및 수백 개 이상의 패턴을 대면적에 한번에 제작할 수 있다. 또 적층형(layer-by-layer) 프린팅 공정을 통해 수십 나노미터(㎚)의 두께에서부터 마이크로미터(㎛) 수준의 두께를 가지는 구조체를 제작했다. 이는 3차원 구조체와 소자 제작에 있어 3D 적층 가능성을 보여주는 중요한 결과다.

프린팅된 8종의 반도체 금속 칼코게나이드 소재군의 현미경 마이크로 구조 분석, 엑스선(X-ray) 회절 및 라만(Raman) 분석을 통해 제작된 무기물 소재 구조체의 기본 물성을 확보했다. 특히 구리-설파이드(Cu₂S) 및 주석-다이셀레나이드(SnSe₂) 의 경우 열처리 조건에 따른 전하 이동도(carrier mobility), 전하 농도(carrier concentration), 전기 전도도(electrical conductivity) 및 제벡 계수(Seebeck coefficient)를 분석했다.

이를 기반으로 수백 마이크로미터 선폭을 가지는 마이크로 열전 발전기 제작에 성공했다. P-형 반도체 소재인 구리-설파이드와 N-형 반도체 소재인 주석-다이셀레나이드를 교차로 제작해 열전 발전기를 제작했으며, 약 223.5mV의 출력 전압과 0.564mW/㎠의 출력 전력밀도를 얻었다.

3. 기대효과

이번 연구는 다양한 소재군에서 무기 반도체 소재의 직접 광학 프린팅 기술을 실현하고, 이를 기반으로 열전 발전 소자를 제작해 응용 가능성을 보여줌으로써 기술의 가치를 증명했다. 광경화성 고분자를 첨가하지 않은 광경화성 무기물 잉크 기술은 전기적 물성을 저하하지 않고 여러 광학 프린팅 공정에 활용될 수 있고, 소재군의 기능성에 따라 다양한 분야에 응용될 수 있다. 특히 집적화된 전자, 광전자 및 에너지 소자, 혹은 3차원 반도체 소자 등을 구현해야 하는 첨단 반도체, 디스플레이 및 에너지 산업에 적용될 수 있을 것이라 기대된다.

[붙임] 그림 설명