나노금속패터닝 기술, 펨토초 레이저 이용해 상용화 길 열렸다
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나노금속패터닝 기술, 펨토초 레이저 이용해 상용화 길 열렸다
  • 장다현 기자
  • 승인 2011.09.04 23:17
  • 댓글 0
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펨토초 레이저로 저비용, 간단한 나노금속패터닝 기술 개발해

 

 기계공학전공 고승환 교수와 양동열 교수 공동연구팀이 펨토(femto, 10-15)초 레이저를 이용한 나노금속패터닝 기술을 개발했다. 이번 연구 결과는 신소재 분야의 권위지인 <어드밴스드 머티리얼즈> 7월호에 실렸다.

전자빔을 이용하는 기존 나노금속패터닝 기술은 상용화 불가능

 반도체는 기판 위에 단파장의 빛으로 미세한 금속회로를 그려놓은 것이다. 따라서 금속회로가 미세해 질수록 반도체의 크기가 작아진다. 이렇게 정밀한 금속회로를 그려 넣는 기술을 금속패터닝 기술이라 하고, 과학자들은 나노 단위의 정밀성을 갖추기 위해 노력하고 있다. 현재 가장 정밀한 금속패터닝 방법은 기판에 이온을 방출하는 전자빔을 쏘아 식각하는 방법이다. 전자빔을 이용하면 나노단위의 금속패터닝이 가능하기는 하지만 공정에 긴 시간이 필요하고 장비가 비싸 많은 비용이 든다. 그래서 상용화가 불가능한 전자빔을 대신해 나노임프린팅, 잉크젯, CW레이저 방식 등의 기술개발이 이루어지고 있다.

대체 기술들은 정밀도 떨어져 나노 단위 금속패터닝 불가능해

 먼저 나노임프린팅 방식의 경우, 기판에 회로모양의 틀을 두고 금속 나노입자를 뿌린 후 입자들을 녹여 회로를 만든다. 전자빔 방식처럼 나노단위의 정밀성을 갖지만 회로모양의 틀은 전자빔으로 제작해야한다는 단점이 있다.

 잉크젯 방식은 잉크젯 프린터처럼 금속 나노입자를 프린트한 후 녹이는 방식이다. 하지만 입자를 뿌리는 노즐의 크기가 마이크로 단위보다 작아질 수 없어서 정밀성이 마이크로 단위에 제한된다.

 CW레이저 방식은 기판에 금속 나노입자들을 뿌려놓고 레이저를 쏘아 선택적으로 나노입자를 녹여 회로를 만든다. 그러나 역시 CW레이저도 정밀도가 마이크로 단위에 머문다. 이는 렌즈로 빛을 모을 때 정확히 한 점에 모이지 않고 빛이 어느 정도 흩어진다는 이론적 한계가 존재하기 때문이다. 렌즈로 빛을 모아도 모인 점의 지름이 마이크로 단위여서 회로의 너비도 마이크로 단위가 되는 것이다.

펨토 주기의 펄스파 쏘는 레이저로 다광자효과 만들어 정밀도 높였다

 이렇게 기존 대체 기술들이 갖고 있던 한계를 극복한 것이 펨토초 레이저를 이용한 방법이다. 이 방법은 CW레이저 방식에서 CW레이저 대신 펨토초 레이저를 사용했다는 점 외에는 크게 다르지 않다. 하지만 펨토초 주기의 펄스파를 쏘는 펨토초 레이저를 이용하면 다광자효과를 일으켜 레이저 에너지를 집중시킬 수 있다.

 금속 나노입자가 레이저에 쏘이면 가지고 있던 전자가 들떠 내부 에너지가 높아진다. 전자가 전이되는데 걸리는 시간은 몇 피코(pico, 10-12)초인데 전자가 안정궤도로 전이되는 중에 레이저의 에너지를 받으면 다시 바닥상태로 떨어지는 현상이 일어난다. 반면 또 다른 레이저를 근처에 쏘아주면 전이 중인 전자가 근처에 쏘여진 레이저의 광자 에너지를 받아 안정궤도로 전이된다. 이 현상을 두광자효과 또는 다광자효과라고 부른다. 이 다광자효과를 이용하면 레이저를 딱 한 점에 모으지 않아도 광자 에너지가 한 점에 모이는 효과를 얻을 수 있고 그만큼 정밀도를 높일 수 있다. 연구팀은 펨토초 레이저를 최대한 한 점에 모으고 레이저의 강도와 비추는 시간을 조절해 380nm의 너비의 금속 나노패터닝에 성공했다.

플렉시블 전자소자, 상용화 길 열렸다

 플렉시블 전자소자는 개발이 가능하나 효율성이 떨어졌다. 전자빔은 비효율적이고 나노임프린팅과 잉크젯 방식은 기판에 열을 가하는 경화과정을 거쳐야 해서 열에 약한 유기기판을 사용하는데 제한이 있었고, CW레이저는 정밀성이 나노단위에 못 미쳤다. 하지만 펨토초 레이저를 사용하면 열에 약한 유기기판을 사용할 수 있고 나노단위의 회로 구성이 가능해 고효율의 플렉시블 전자소자를 만들 수 있다.

 고승환 교수는 이번 연구에 대해“고가의 진공 전자빔 공정을 통해서만 제작 가능했던 기존의 나노패터닝 기술을 비진공, 저온 환경에서 구현함으로써 전자빔 공정을 대체하고 향후 다양한 플렉시블 전자소자 제작에 활용될 것이다”라고 전망했다.

 

▲ 펨토초 레이저를 이용한 금속나노패터닝 결과. (좌) 너비 380nm의 금속선 (우) 클로버 모양의 금속나노패턴


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