10나노급 초미세 인쇄기술 세계 첫 개발

팔만대장경, A4 용지 한 장에 축소 인쇄 가능

그동안 물리적 한계라고 여겨졌던 10나노급의 나노구조체를 인쇄해 원하는 물질에 전사(轉寫)하는 기술이 국내 연구진에 의해 세계 최초로 개발됐다.

10나노미터(nm)는 1억분의 1미터로서 사람 머리카락 굵기의 만 분의 일에 해당하는 크기다. 10나노 이하 수준의 나노구조체에서는 양자효과를 활용할 수 있어서 기존 소자의 성능을 크게 뛰어넘는 새로운 나노 소자 실현이 가능하다.

이번에 개발된 기술은 복잡한 제조 단계를 거치지 않고도 고밀도·고성능 센서 등의 첨단 기기를 빠르고 간단한 방법으로 대량 양산할 수 있으며, 모두 펼쳐 놓으면 축구장 넓이에 해당하는 팔만대장경을 A4지 한 장에 축소 인쇄하는 것도 원리적으로 가능하다.

이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프런티어사업의 스마트IT융합시스템연구단(단장 경종민)의 지원으로 한국과학기술원 정연식 교수와 정재원 연구원이 수행했으며, 나노종합기술원의 박재홍 박사와 한국과학기술원의 이승용 박사 등이 공동 참여했다. 연구결과는 세계적인 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션스’ 11월10일자에 온라인으로 게재됐다.나노 인쇄·전사 기술은 통상적으로 인쇄기판의 역할을 하는 탄성 몰드에서 나노구조체를 찍어내고, 찍어낸 나노구조체를 실리콘 기판이나 유연소재 등의 원하는 물질에 옮기는 과정으로 이뤄진다. 그러나 나노구조체와 탄성 몰드간의 접착력 등의 문제로 인해 나노 인쇄 기술은 수백 나노미터 정도가 한계였으며 10나노급의 미세 인쇄는 물리적으로 불가능한 것으로 인식돼 왔다.

연구진은 기존 탄성 몰드와 달리 표면에너지가 높은 고분자를 탄성 몰드로 사용할 경우, 미세 인쇄가 가능하다는 것을 발견하고 이를 활용해 10나노미터 이하의 초미세 나노구조체를 인쇄하는데 성공했다. 또한 탄성 몰드의 표면 접착력을 선택적으로 약화시켜 전사하는 원리를 고안해 거의 모든 물질의 표면에 나노구조체를 전사할 수 있는 인쇄 기술을 구현하는데도 성공했다.

연구팀은 이번에 개발된 기술을 활용해 10나노급 나노구조체를 인쇄해 실리콘 웨이퍼 기판 뿐만 아니라 사람 피부 표면에 전사시키는데 성공했으며, 더 나아가 폭발성 가스를 빠르게 감지하는 고성능 가스 센서도 제조했다.

또, 과일표면에 존재하는 극미량의 잔류 농약을 비파괴적으로 빠르게 검출하는 센서도 성공적으로 제작했다. 향후 추가 연구를 통해 현재 통상 몇 시간이 걸리는 잔류농약 검출시간을 수초 이내로 즉시 탐지하는 고유 기술을 실용화할 예정이다.

특히 기존 패터닝 기술로는 소제 제작에 어려움이 있는 플렉서블 기판 상에 나노 구조체를 형성하는 것이 가능하기 때문에 최근에 각광받고 있는 플렉서블 혹은 웨어러블 기기 제작에 유용할 것으로 기대되며, 다양한 분야로의 응용 또한 가능할 것으로 기대되고 있다.

정연식 교수는 “이번 기술은 10년 후에 전 세계적으로 약 100조원의 시장 규모로 성장할 것으로 예측되는 인쇄·유기·유연 전자기기 제조에 원천기술로 이용될 수 있다”며 “향후 유연 전자소자, 저전력, 고성능 디스플레이, 극미량 물질 탐지, 고효율 촉매 등의 제조에 광범위하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.