WIN-WIN TECH - 나노기반 연속 생산시스템 핵심요소 기술
나노기술은 21세기 새로운 산업혁명을 주도할 핵심기술로서 물리, 화학, 생명공학, 전기전자, 메카트로닉스 기술 등과의 통합을 통하여 국가산업을 혁신할 수 있을 것으로 기대된다.
다양한 분야에서 기술적 파급효과가 매우 클 것으로 예상되며, 미래 사회에는 나노기술에서 우위를 차지하는 국가가 세계의 기술시장을 주도해 나아갈 것으로 생각된다.
전자 및 디스플레이산업 관련부품의 소형화 및 박판화 추세에 따라 정밀한 미세패턴 제작공정의 성능향상이 더욱 요구되고 있으며, 부품 제조장비에 있어서도 정밀성, 고생산성과 원가절감 노력은 필수적 요소가 되었다.
특히 유연성 기판(종이 또는 플라스틱 등) 위에 패터닝/프린팅 공정을 이용하여 정밀도 수~수십 μm급의 저가의 기전소자 및 인쇄전자소자 제품을 만들어 향후 거대시장 형성에 대응할 수 있는 생산 시스템개발과 이에 사용되는 미세 패턴롤이 필수적인 요소가 되었고, 이로 인하여 롤 또는 실린더 등의 곡면 기층에 대한 나노 패터닝 기술개발이 더욱 필수적으로 요구되고 있다.
현재 디스플레이 기기에 적용되고 있는 다양한 기능성 광학필름, 차세대 이차전지 부품, 태양전지 셀 등은 각 품목당 연간 수조원대의 시장을 형성하고 있으나, 해외의 선진업체에서 대부분 시장을 점유하고 있으며, 고분자 소재의 습식박막 코팅 또는 성형장비를 중심으로 하는 관련 생산시스템의 대외, 특히 대일 의존도는 절대적인 수준이다.
또한 기존의 백열등, 형광등 등의 광원을 자발광 면광원으로 대체하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있으며 이를 위해서는 자발광 면광원의 발광효율을 기존 광원보다 높이는 것이 요구되는데, 이를 구현하기 위해서는 나노구조체를 활용할 가능이 매우 높을 것으로 기대된다.
이러한 기능성 나노구조체를 대량생산하기 위해서는 나노패턴을 복제하는 공정이 필수적이기에 이러한 복제공정을 연속적으로 생산하는 시스템을 개발하였다.
나노기반 연속생산시스템기술은 기존의 E-Beam Lithography와 같은 고가의 나노크기 구조물 제작공정을 대체하고, 연속적으로 나노 기계요소부품 및 차세대 전자소자 등을 대량으로 제조하는 공정 및 시스템 연구로 디스플레이 및 초정밀기계, 전자산업 관련부품의 소형화 및 박판화 추세에 따라 더욱 작고 정밀한 미세패턴을 더욱 빨리 그리고 더욱 값싸게 제작할 수 있는 공정기술이다.
또한 디스플레이 부품, LED 조명, 태양광 집광판, 초정밀기계, 차세대 반도체 등과 같은 산업분야는 대한민국의 첨단 주력산업분야로서, 이에 활용되는 나노구조체의 고속, 정밀생산은 제품 경쟁력 제고에 있어 가장 중요한 핵심기술이며 새로운 신성장 동력산업 발굴에 필수적인 시스템이다.
또한 산업기반 강화와 다품종 소량생산 및 첨단제품의 시장경쟁력 강화로 글로벌 추세에 대응하는 신개념의 융합시스템으로 국가의 핵심사업 및 중점육성 사업분야가 될 것으로 판단된다.
나노기반 연속생산 공정을 달성하기 위하여 고효율의 나노구조체 설계기술과 나노패턴을 대면적에 무결점으로 연속해서 롤 표면상에 제작하는 마스터 롤 제작기술 그리고 이러한 마스터 롤을 장착하여 연속 성형공정으로 패턴을 제작할 수 있는 연속생산 제조공정 및 시스템 기술과 기능성 나노소재의 광학부품 적용기술 개발이 핵심요소기술이다.
나노기반 연속생산시스템에서 나노패턴을 가진 마스터몰드제작공정에는 간섭 리도그래피 기술을 적용하였으며 다양한 레이저광 제어기술이 적용된 이러한 간섭리도그래피 기술은 주기적 나노 패턴의 중요성과 함께 최근 새롭게 주목을 받고 있다.
또한 간섭 리도그래피 기술은 비교적 간단한 시스템 기술을 적용하여 대면적에 정교한 나노 패턴을 제작할 수 있는 장점을 가지고 있으며 홀로그램 기술과 레이저 가공분야에 활용될 수 있다.
나노기반 연속생산시스템의 개념도는 아래 그림 1 과 같으며 나노박막습식 코팅공정과 롤 마스터 나노패터닝 공정 및 UV 경화공정과 이형공정으로 구성되어 있다.
그림 1 의 나노기반 연속 생산시스템 개념도를 바탕으로 본연구에서 개발된 나노기반 연속생산시스템을 그림 2 에 나타내었다.
나노패턴 마스터 롤의 최대폭은 450mm, 롤 직경 최대 400mm, 최대 이송속도 10m/min으로 설계되었으며 UV나노 연속성형 공정과 나노 연속코팅 공정을 함께 수행할 수 있도록 제작하였다.
그림 1 나노기반 연속 생산시스템 개념도
그림 2 나노기반 연속 생산시스템
대면적 광학필름, RFID 등 필름형 IT 제품의 대량생산을 위해 연구되는 롤투롤 공정에서는 연속생산에 적합한 롤 마스터를 제작하는 것이 가장 중요한 분야 중 하나이다.
현재 마이크론 크기의 패턴을 제작하는 방법은 기계적 가공이나 레이저 가공 등이 성공적으로 적용되고 있지만, 서브마이크론 크기에서 수백 나노미터 크기의 패턴을 롤 표면에 제작하기는 매우 어려운 실정이다.
최근 간섭 리도그래피 공정과 전자빔 및 광학빔을 이용한 다양한 방법 등이 개발되고 있지만, 패턴의 크기, 패턴의 깊이, 패턴영역 등의 다양한 문제점으로 인하여 상용화에 어려움을 겪고 있다.
이러한 문제점에 대한 해결책으로 아래 그림 3 은 대면적에 주기적 나노패턴을 제작하는 간섭 리도그래피 기술과 유연필름에 나노패턴을 용이하게 복제할 수 있는 나노 임프린트 기술을 복합적으로 활용하여 나노패턴 롤 마스터를 제작하는 모습을 보여주고 있다.
그림 3 나노패턴 롤 마스터 제작공정도
간섭 리도그래피 공정은 결맞춤이 우수한 두개의 빔을 중첩시켜 수백 나노미터 주기의 패턴을 제작하는 기술로서 본 연구에서는 363.8nm 파장의 알곤-이온 레이저를 활용하였고 2인치 크기의 실리콘 웨이퍼에 로이드(Lloyd) 광학계를 이용하여 그림 4 와 같은 800nm 주기의 선형(Line-Type) 패턴을 제작하였다.
실리콘에 제작된 나노패턴을 마스터로 하여 폴리카보네이트(Polycarbonate) 필름에 Step-and-Repeat방식으로 여러 지점에 동일한 패턴을 복제한 후 그림 4 와 같이 롤크기 400mm, 패턴영역 100mm 길이의 롤에 나노패턴이 제작된 필름을 감아 롤투롤 공정에 적합한 소프트 몰드인 스탬프를 제작하였다.
이러한 소프트 몰드 스템프는 제작이 용이하고 특히 롤의 크기, 재질에 큰 영향을 받지 않는 점에서 장점을 가진다. 향후 유연 스템프 재질을 고온 고압 롤 공정에도 적용될 수 있는 재질로 변경되면 실제 생산에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
그림 4 간섭 리도그래피와 나노임프린트 공정으로 제작한 나노패턴 롤 마스터
최근 본 연구실에서는 그림 5 와 같이 UV 나노임프린트 리도그래피를 이용하여 무기물 소재를 상온에서 손쉽게 직접 패터닝하는 공정기술을 개발하였다. TiO2, ZnO 등 산화물의 전구체가 함유된 레진을 개발하여 UV 나노임프린트 리도그래피를 이용한 나노패턴을 제작하였다.
그림 5 UV 나노리도그래피를 이용한 TiO2 직접 나노패터닝 공정 흐름도
TiO2 나노패턴은 태양전지, 웨이브가이드, 가스센서, 광촉매, 전기변색 디스플레이 등 다양한 분야에 응용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며 본 연구실에서는 photosensitive titanium (IV) di-n-butoxide bis(2-ethylhexanoate)를 Hexane에 용해시킨 TiO2 전구체 레진을 제작하여 UV 조사에 의해 TiO2 전구체 레진이 TiO2로 전환되는 것을 확인하였다.
그림 6 에 나타난 바와 같이 지름 267nm의 구멍형 나노패턴을 TiO2 레진에 형성하였으며 이러한 TiO2 나노패턴은 광굴절율(1.83)이 높아 LED에 적용하면 광추출 효율을 증가시킬 수 있을 것으로 기대된다.
그림 6 UV 나노임프린트 리도그래피를 이용하여 제작된 TiO2 나노패턴
ZnO는 밴드갭이 3.37eV인 반도체 물질로 밴드갭이 넓어 가시광선 영역에서 투명도가 높고 압전 특성이 있어 최근 태양전지, 가스센서, 촉매, 자가 발전 소자 등으로 응용하기 위해 널리 연구가 진행되고 있다.
이러한 응용분야에 적용하기 위하여 본 연구실에서는 ZnO Acetate를 함유한 ZnO 전구체 레진을 제작하고 이를 UV 나노임프린트 리도그래피를 이용하여 PSS-LED(Patterned Sapphire Substrate-Light Emitting Device)의 상단에 ZnO 나노패턴을 형성하였고 이를 LED에 적용한 결과 ZnO 나노패턴의 식각시간이 증대됨에 따라 LED 출력이 향상됨을 확인하였다.
그림 7 ZnO 나노패턴이 상단에 형성된 PSS-LED 구조(위) 및 나노패턴 식각 시간에 따른 LED 효율 향상(아래)
그림 8 나노기반 연속 생산시스템 응용분야
나노기반 연속 생산시스템 개발사업을 통해 롤 기반의 나노패턴을 연속적으로 생산 할 수 있는 시스템을 설계 및 제작하였으며 간섭리소그래피 공정을 적용하여 최대 성형폭 100mm, 패턴선폭 400nm의 나노패턴 마스터 및 소프트 몰드를 제작·성공하였다.
또한 기능성 나노소재를 개발하여 고효율의 나노 광부품 및 조명시장 분야에 나노패터닝 공정 및 나노소재 기술을 적용함으로써 향후 나노기술의 사업화에 기여할 것으로 기대된다.
이러한 나노기반 연속 생산시스템은 차세대디스플레이 부품, 태양광 모듈 및 고효율 조명 등 주기적 나노패턴이 필요한 기능성 소자의 대량 및 연속생산에 활용되어 극미세나노패턴을 기존보다 빠르고, 값싸게 또한 연속적으로 생산할 수 있게 함으로써 관련분야 제품 및 기술의 대중화에 기여할 것이며 차세대 나노 생산 공정장비의 수입대체 효과 및 기술경쟁력을 확보하는 데 적용되어 향후 국가 수종산업 발전에 이바지할 것으로 기대된다.