- 화학흡착 나노 전사 기반 공정으로 나노 광소자 대량 생산 성공

- 기계연‧NTU 공동연구, 연구성과 저명 학술지 ‘ACS NANO’ 발표

과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연)이 세계 최초로 접착제가 필요 없는 화학흡착 나노 전사 기반 나노 광소자 대량 제조기술을 개발했다. 나노 광검출기부터 나노 LED, 나노 태양전지까지 다양한 분야에 활용되는 고가의 나노 광소자 생산공정을 획기적으로 개선해 경제성을 높일 것으로 기대된다.

나노 광소자 대량 제조기술 연구 현장

< 한국기계연구원 황순형 박사(오른쪽), 싱가포르 난양공대(NTU) 신상호 박사(왼쪽) >

< 한국기계연구원 정준호 전략조정본부장 >	< 싱가포르 난양공대(NTU) 김문호 교수 >

기계연 전략조정본부 정준호 본부장은 접착제가 필요 없는 화학흡착 나노 전사 기술을 개발하고, 연구성과를 나노분야의 저명 학술지 ‘ACS NANO’ 16호에 발표했다. 이번 연구는 싱가포르 난양공대(NTU) 전기전자공학과 김문호 교수 연구팀과 함께 이뤄졌다.

* 논문 제목:Direct Chemisorption-Assisted Nanotransfer Printing with Wafer-Scale Uniformity and Controllability (웨이퍼 레벨 균일성과 제어성을 갖는 직접 화학흡착 지원 나노 전사 프린팅)

이번 연구는 고세장비(High aspect ratio) 나노 구조체 기반 나노 광소자를 저가로 대량 제조할 수 있는 화학흡착 나노 전사 기술 개발에 성공했다. 기존 고가의 노광장비와 건식 식각 장비 대신 저가의 나노 전사 장비와 습식 식각 장비만으로 고성능 나노 광소자의 대량 제조에 성공한 것이다.

접착제가 필요 없는 화학흡착 나노 전사 기반 나노 광소자 대량 제조기술 실험 결과

< 화학흡착 나노 전사 공정 개념도, ACS Nano 2022, 16, 378−385 >

한국기계연구원 정준호 전략조정본부장이 개발한 ‘화학흡착 나노 전사 공정’은 나노구조체가 패터닝된 유연 나노 스탬프에 20㎚ 두께의 금을 증착하고, 특정의 압력(5bar)과 온도 조건(160~200℃)으로 기판에 가압하면 화학흡착(Chemisorption) 현상이 발현되고, 이 현상이 금 박막과 기판 사이의 접착력을 발생시켜 나노 스탬프 상의 금 박막이 기판으로 전사되는 원리를 응용한 공정이다.

이번에 개발한 화학흡착 나노 전사 공정은 나노구조체가 패터닝된 유연 나노 스탬프에 20㎚ 두께의 금을 증착하고 특정 압력(5bar)과 온도 조건(160~200℃)으로 기판에 가압하면 발생하는 화학흡착(Chemisorption) 현상을 이용했다. 화학흡착이 발생할 때 금 박막과 기판 사이에 접착력이 생겨 나노 스탬프의 금 박막이 기판으로 전사된다.

< 화학흡착 나노 전사 공정에 의해 형성된 나노구조체 이미지, ACS Nano 2022, 16, 378−385 >

화학흡착 나노 전사 공정에 의해 두께 20㎚, 선폭 200㎚의 금 나노구조체가 대면적으로 전사된 석영(quartz), 게르마늄(Ge), 갈륨비소(GaAs) 기판의 이미지를 보여주고 있다.

지금까지는 구조체와 기판 사이 접착제 때문에 반드시 고가의 건식 식각공정이 필요했지만, 개발된 기술을 활용하면 경제적인 습식 식각공정인 금속 화학 식각(MAC etch, Metal-Assisted Chemical etch)이 가능하다. MAC etch 공정은 금과 같은 금속 촉매를 이용한 습식 화학 식각공정으로 식각 용액에 담긴 기판과 금속 촉매 간 산화환원 반응으로 기판이 식각된다.

< 화학흡착 나노 전사 공정에 의해 6인치 기판에 제조된 나노 광검출기, ACS Nano 2022, 16, 378−385 >

화학흡착 나노 전사 공정에 의해 6인치 기판에 제작된 나노 광검출기의 이미지와 측정 결과를 보내주고 있다. 6인치 기판 전면에 제작된 나노 광검출기의 특성을 측정한 결과, 응답 특성 오차범위는 ~3%, 평균 광전류 표준편차는 2% 이내로 매우 균일한 소자 특성을 보여, 개발한 화학흡착 나노 전사 공정의 우수성을 입증했다.

싱가포르 난양공대(NTU) 김문호 교수는 “대면적의 균일한 미세 반도체 구조물을 저비용으로 웨이퍼의 전면에 제작했다”며, “불량을 최소화하면서 대량의 소자를 균일하게 제작할 수 있는 원천기술을 확보하는 데 성공했다”고 말했다.

정준호 전략조정본부장은 “이번 연구성과는 기계연의 나노 전사 기술과 난양공대(NTU)의 습식 식각 기술 등 두 기관의 강점 기술을 바탕으로 국제 공동연구를 통해 시너지를 이루어낸 성과”라며, “향후 후속 연구를 통해 나노 LED, 나노 태양전지, 차세대 배터리의 대량 제조기술을 개발할 계획”이라고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 파동에너지극한제어연구단 ‘극한물성시스템 제조플랫폼 기술’ 과제의 지원을 받았다.

문의: 한국기계연구원 전략조정연구본부 정준호 본부장

042-868-7360/010-8361-4918/jhjeong@kimm.re.kr