서울과학기술대학교(이하 서울과기대) 기계·자동차공학과 자동차공학프로그램 옥종걸 교수 연구팀이 전통적 소성가공 원리의 창의적 응용을 통해 형상맞춤형 스마트 나노패터닝 기술 개발을 이끌어 낸 「나노각인공정의 형상, 깊이, 차원 조절을 통한 맞춤형 나노패터닝 (Tailored Nanopatterning by Controlled Continuous Nanoinscribing with Tunable Shape, Depth, and Dimension)」연구 결과를 발표하였다.

 

 

▲ 서울과학기술대학교 참여연구진 : (첫행 좌에서 우로) 옥종걸 교수, 오동교, 이승조 (이상 석사연구원), 이원석, (두번째 행 좌에서 우로) 연규범, 이나영, 정순민, 김동하 (이상 학부연구원)

 

나노패턴은 미세정렬 구조, 넓은 표면적, 빛이나 입자와의 상호간섭 등 고유한 구조적·광학적 특성으로 디스플레이 및 반도체 뿐만 아니라 광부품, 통신, 센싱, 바이오, 에너지 등 다양한 분야에 활발히 응용되고 있는 핵심요소이다. 현재까지 주로 포토리소그래피(photolithography) 및 레이저간섭 공정을 필두로 하여 나노패턴을 제작 중이지만, 복잡다단한 공정 절차 및 고가의 설비, 공정 소재 및 면적상의 제약 등이 수반되었다. 이후 이러한 문제점을 해결하기 위해 2009년 미국에서 처음으로 나노각인공정(Dynamic Nano Inscribing; DNI) 원리를 발표했지만, 그 후 메커니즘 정립, 공정인자별 영향, 형상의 맞춤형 조절 및 실용소자 응용 등 체계적인 후속연구가 진행되지 못하고 있었던 상황이다.

 

 

▲ 나노각인 공정의 모식도 및 나노각인으로 제작되는 맞춤형 형상을 갖는 나노패턴 예시

 

나노각인 기술은 기존 진공 및 식각 기반 나노패터닝 공정들이 천착하는 웨이퍼 대 웨이퍼 등 면대면(Face-to-Face) 방식에서 탈피해, 패턴몰드의 모서리 부분만을 이용한 국소 접촉 및 이의 가열 가압 하의 이송 각인이라는 선대면(Line-to-Face) 패터닝 방식으로 전환하는 혁신적 원천 공정기술이다. 이는 대상 기판의 기계적 물성치에 최적화된 연속적 나노패터닝을 넓은 면적에 고속 저비용으로 가능케 한다.

옥종걸 교수팀은 간결하면서도 정밀하며 신뢰성 있는 운용이 가능한 나노각인공정 시스템을 구축하고, 나노패턴 제작에 영향을 미치는 인자를 크게 공정 힘, 공정 온도, 공정 속도 3가지로 분류하여 체계적 인자 연구를 진행하였다. 이를 통해 상기한 인자들이 최종 나노패턴 형상에 미치는 상관관계를 규명하고, 이를 해석적으로 뒷받침하는 이론적 모델을 제시하였다. 나아가, 이러한 나노각인 기반 다양한 형상맞춤형 나노패턴 제작 결과들을 도출하고 이를 활용한 실용적 광학소자 응용 사례를 보였으며, 이후 이루어질 수 있는 심화 연구 방향을 조망하였다.

 

 

 

▲ 본 연구결과가 게재된 ACS Nano 저널 표지

 

이번 연구개발 성과는 그 독창성 및 유용성을 인정받아 올해 10월 나노공학 분야 JCR 상위 6% (IF 13.903)의 「ACS Nano」 13권 10호에 게재되었다. (http://doi.org/10.1021/acsnano.9b04221)

한편, 본 연구는 과학기술정보통신부의 선도연구센터지원사업, 교육부의 이공계 대학 중점연구소 지원사업의 지원을 받아 수행되었으며 옥종걸 교수팀 이외에 서울과기대 이상훈 교수, 한양대 박희준 교수, 아주대 이승후 석사연구원, (주)삼성디스플레이 한강수 책임연구원 및 이대영 수석연구원이 함께 참여하였다.