전자회로를 사진뽑듯 간단하게 그렸다

[파이낸셜뉴스] 울산과학기술원(UNIST) 손재성-이지석 교수팀이 빛을 받으면 굳는 '금속 칼코게나이드 잉크'로 사진을 뽑아내듯 간단하게 전자부품 회로를 그리는 광학인쇄기술을 개발했다.

연구진은 이 기술로 2차원(2D), 3차원(3D) 구조체와 '마이크로 열전 소자'까지 만들어 기존 공정을 대체할 '무기물 소재의 패턴화 기술'로서의 가능성을 입증했다.

이지석 교수는 "고분자 지지체 없이도 프린팅 구조체를 수십 나노미터 단위로 조절할 수 있는 정밀한 기술"이라고 말했다.

또한 손재성 교수는 "광학 프린팅 기술은 고해상도 패턴을 균일하게 대면적으로 제작할 수 있다"며 "상대적으로 저비용 단순 공정을 통해 2차원 및 3차원 구조체 제작을 구현 할 수 있는 기술"이라고 설명했다.

기존 소재 패터닝은 빛으로 소재를 깎아내는 포토리소그래피나 레이저 및 전자빔으로 회로를 새긴다.

이 공정들은 비싸고 복잡하며 처리 시간도 길다. 여기에 대한 대안으로 빛을 이용해 소재를 쌓아올리는 '광학 3D 프린팅 기술'이 나왔으나, 대부분 유기물이 포함돼 소재의 특성을 떨어뜨리는 문제가 있다.

연구진이 개발한 '무기물 소재 광학 프린팅 기술'은 유기물이 없이도 빛을 받으면 굳는 '무기물 잉크'를 합성하고, 디지털 광 처리(DLP) 인쇄 공정에 접목한 것이다. 최근 반도체 소재로서 각광 받는 금속 칼코게나이드와 2차원 전이금속 다이칼코게나이드 소재를 잉크로 만들었다.

이 광학 프린팅 공정은 기존과 달리, '순수 무기물 잉크'만 사용했다. 또 나노미터 두께로 잉크를 쌓아 올리는 DLP 인쇄 공정을 이용해 제조 비용과 시간을 대폭 낮춰 반도체 소재 구조체를 만들 수 있다.

일반적으로 무기물을 포함하는 광학 프린팅 공정은 무기물 첨가제를 포함한 광경화성 고분자(유기물) 복합체를 잉크로 사용한다. 이 경우 공정 후 구조체 내부에 고분자가 남아 전기적 특성을 저해하는데, 이번 기술은 '순수 무기물'만 써서 이를 해결했다. 금속 칼코게나이드 전구체 용액을 합성 후, 광산 발생제를 첨가해 광학 프린팅에 사용 가능한 광경화 특성을 부여한 것이다.

연구진은 이 기술로 만든 2D, 3D 구조체는 높은 해상도와 균일도를 가졌다. 또한 대면적 프린팅과 3차원 적층 가능성도 제시했다. 더 나아가 광학 프린팅 공정을 이용한 마이크로 열전 발전기를 제작해 에너지 분야 응용 가능성을 입증했다.

이지석 교수는 "기존 광학 3D 프린팅 공정을 획기적으로 개선한 것은 물론, 프린팅 소재의 한계를 넘어 다양한 무기물 소재를 프린팅 공정에 직접 접목할 수 있는 중요한 기술"이라고 기대했다.

제1저자인 백성헌 석박사통합과정 연구원은 "다양한 기능성 소재에 따라 반도체 소자나 광전자 소자 등에도 응용이 가능할 것"이라고 기대했고, 공동1저자인 정상균 석박사통합과정 연구원은 "포토리소그래피에서는 필요한 '포토마스크'를 사용하지 않아 모양과 크기에 제약을 받지 않으므로 다양한 분야에 자유롭게 응용 가능할 것"이라고 전했다.

연구진은 이번 연구결과를 세계적 과학저널 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 지난 7일 발표했다.

[e-mail] 김만기 기자