[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

전자소자에 나노미터(㎚, 1㎚는 10억 분의 1m) 수준의 무늬를 새기는 ‘나노 패터닝(nano patterning)’ 기법으로 ‘전자빔 리소그래피(E-beam lithography)’가 전통적으로 쓰였다. 그런데 전자빔 리소트래피에는 다수의 공정이 필요하고, 고가의 장비가 요구된다는 단점이 존재했다. 또 해상도를 높이면 정보 처리량이 떨어지고, 반대로 정보 처리량을 늘리면 해상도가 낮아지는 트레이드 오프(trade-off) 현상도 심하다는 문제가 있었다.

이런 문제를 해결하고자 본 연구팀은 자연계의 액체 거품을 이용한 나노 패터닝을 제안했다. 액체 거품은 맥주나 세제처럼 액체를 기반으로 만들어지는 거품인데, 나노미터 수준의 박막 구조를 가진다. 연구진은 이 사실에서 영감을 얻어 거품 구조를 비전통적 나노 패터닝 기법 개발에 응용하기로 했다.

하지만 자연계의 액체 거품은 닫힌계(closed cellular system)이기 때문에 오스트발트 라이프닝(Ostwald ripening) 현상을 동반한다. 오스트발트 라이프 현상은 작은 거품이 큰 거품에 잡아먹히는 양상인데, 액체의 유동성과 함께 나타나 복잡하고 역동적인 위상학적 변화를 가져온다. 따라 액체 거품을 제어하는 일은 쉽지 않다.

2. 연구내용

이번 연구에서는 기존 거품 물리계에는 없는 ‘개방계(open cellular system) 액체 거품’을 구현하는 미세유체(microfluidics) 장치를 개발했다. 이 장치는 거품 생성과 제어 과정에서 오스트발트 라이프닝을 배제할 수 있다. 따라서 기판에 2차원의 규칙적인 네트워크를 이루는 다양한 액체 패턴을 만들 수 있다.

개방계 액체 거품을 물질의 나노 패터닝 기술에 응용하기 위해, 패터닝할 물질을 포함한 잉크를 기판에 2차원 액체 패턴 형태로 형성시켰다.(그림2a) 그후 잉크를 말리는 과정에서 거품의 나노 필름 구조를 물질 성형(casting)의 틀로 이용했다. 액체 형상 내에 패턴을 새길 목표 물질을 넣으면 자연스럽게 패턴이 새겨지도록 유도한 것이다.

그 결과 단일 공정만으로 나노 입자와 유기물을 포함한 다양한 물질에 수백 나노미터 수준의 해상도로 규칙적인 나노선(nanowire) 네트워크를 증착할 수 있었다. 이때 기판은 유연하고 대면적으로 제작 가능했다. 이 방식은 쉽고 저렴하며 제작시간도 몇 분이면 충분하다는 장점이 있다. 공정을 반복하면 이종 물질 패턴의 집적화도 가능하고, 공중부유형 선(suspended wire) 제작도 가능했다.

3. 기대효과

이번에 개발한 패터닝 기술은 전통적 리소그래피 기술로는 쉽게 만들 수 없었던 미래형 웨어러블 장치나 센서 개발에도 유용할 것으로 기대된다. 또 학문적으로는 거품을 제어하는 기법을 통해 새로운 액체 거품 내 물리현상을 이해하는 데 기여할 것이다.

[붙임] 용어설명

1. 전자빔 리소그래피(E-beam lithography): 전자 감응형 필름으로 덮인 표면에 원하는 형상을 그리기 위해 집속된 수~수십 나노 구경의 전자빔을 표면에 쏘는 방법이다.

2. 극자외선(Extreme ultra violet, EUV) 공정: 극자외선이라 일컬어지는 매우 짧은 파장(13.5㎚)의 빛을 이용하는 포토 리소그래피 기술(기판 위 감광성 물질에 차폐막이 가지는 기하학적인 모양을 옮겨서 본뜨는 기술)이다. 기존 자외선을 이용한 포토 리소그래피로는 가공하기 어려운 20㎚보다 미세한 치수의 가공이 가능하다.

3. 나노 임프린트(Nano-imprint): 원하는 형상의 미세패턴을 가진 도장을 만들고, 해당 도장을 기판 위에 찍어서 물질을 패터닝하는 기법. 

4. 오스트발트 라이프닝 (Ostwald ripening): 거품의 공기 방울(cell)들은 크기에 따라 다른 기압을 가진다. 영-라플라스 공식에 따르면, 지름이 작은 공기 방울일수록 높은 압력을 가진다. 따라서 공기 방울들 사이에는 크기에 따른 압력 차이가 나타나고, 작은 공기 방울에서 큰 공기 방울로 기체 확산이 일어나게 된다. 이에 따라 작은 공기 방울은 큰 공기 방울에 잡아먹히는 양상을 보이게 되는데, 이를 오스트발트 라이프닝 현상이라고 일컫는다.

5. 영-라플라스 공식(Young-Laplace equation): 표면장력 현상으로 인해 물과 공기처럼 서로 다른 유체의 경계면에서 유지되는 모세관 압력 차이를 나타내는 비선형 편미분 방정식이다.

[붙임] 그림설명

 그림1. 액체 거품을 이용한 나노 패터닝 기술: 거품을 나노미터 수준으로 관찰하면 얇은 막을 가진 연결구조라는 걸 알 수 있다.(왼쪽) 연구진은 여기서 영감을 얻어서 잘 정렬된 액체 거품을 만들고 조절하면서 나노와이어 패턴을 제작하는 기술을 제안했다.(오른쪽)

 그림2. 자연계 거품(폐쇄계)과 해당 연구의 새로운 거품(개방계)이 갖는 물리계 비교

 그림3. (a-b) 미세유체 장치 개념도 및 (c) 실제 액체패터닝 생성과정을 보여주는 윗면 사진

 그림4. 실제 미세유체 장치 모습 및 확대 사진

 그림5. 액체 거품 생성과 제어를 이용한 패터닝 기술.(a) 다양하고 규칙적인 액체 거품 패턴을 형성하는 모습. (b) 이종 물질 패턴의 직접화. 이 공정은 먼저 만들어진 나노 패턴 위에 다른 물질을 이용한 패턴을 추가로 새겨넣을 수 있다. (c) 공중 부유형 와이어 제작. 액체 거품 틀을 어떻게 설계하느냐에 따라 공중에 뜬 무늬를 만들어 넣을 수도 있다.