DGIST 장경인 교수팀, 먼지크기부터 A4 용지크기까지 반도체 인쇄가 가능한 신공정 개발
기존보다 정확도와 생산성 높아 바이오센서, 반도체 소자 등 소자 산업의 다양한 적용 기대

국내 연구진이 먼지처럼 작은 수십 나노미터 크기부터 A4용지 크기까지 반도체 인쇄가 가능한 새로운 공정기법을 개발했다. 기존보다 최대 1만 배 이상 빠르고 정확한 공정으로 반도체 소자 생산성을 획기적으로 늘릴 것으로 기대된다.

DGIST 장경인 교수팀은 한국뇌연구원 라종철 교수팀과 한국생산기술연구원의 금호현 박사팀과 공동으로 반도체 및 소자 제작을 위한 새로운 전사인쇄(轉寫印刷) 공법을 최초 개발했다고 12일(월) 밝혔다.

최근 웨어러블 디바이스나 곡면 디스플레이 기술 등이 발전하면서 고도화된 반도체 소자 제작기법이 요구되는 추세다. 이에 더욱 정확하고 신속한 전사인쇄 공법의 개발 필요성이 대두되고 있다. 전사인쇄는 서로 다른 기판에서 제작된 소자들을 새로운 기판으로 옮겨 통합시키는 반도체 제작의 필수 공정인데, 복잡한 전자 소자를 제작 시 광범위하게 사용된다.

종래 사용된 습식 전사 인쇄 공법은 기판 위에 소자를 제작 후 부식액을 이용해 아래층을 녹여 없앤 후 새로운 기판으로 옮기는 방법이다. 하지만 기판의 층 면적이 큰 경우, 녹이는 데 시간이 오래 소모되는 점과 소자 모양의 왜곡 가능성 등 대량생산의 한계가 있었다. 이를 대체하기 위해 개발된 최근의 건식 전사 인쇄 기법들은 기존 습식 공법보다 좋은 성능을 가진다. 하지만 공정의 범용성 부족, 고가의 장비 필요, 대량생산의 어려움 등 여전히 많은 한계점이 있는 실정이다.

이에 DGIST 장경인 교수 연구팀은 인접한 두 물질이 온도 상승에 따른 부피 변화 값의 차이를 나타내는 열팽창 계수를 이용해, 소자를 안정적이고 신속히 기판에서 분리하는 새로운 건식 전사인쇄 공법을 개발했다. 연구팀은 열팽창 계수 차이가 큰 금(Au)과 규소(Si) 또는 구리(Cu)와 규소(Si)를 얇은 박막형태로 서로 겹치게 제작했다. 이들을 높은 온도로 가열함에 따라 두 물질 사이 경계면에 강한 힘이 집중되며 균열이 발생했고, 이를 통해 소자를 기판에서 분리시키는 데 성공했다.

연구팀은 물리적 모델링과 시뮬레이션을 통해 무선 통신 시스템부터 복잡한 구조인 심혈관 센서, 가스 센서, 광유전학 소자 등에 광범위하게 적용될 수 있음을 추가 입증했다. 특히 기존 습식 전사인쇄방식에 비해 1만 배 이상 소모시간이 단축되고 정밀한 전사 인쇄가 가능하다는 점이 장점이다.

DGIST 로봇공학전공 장경인 교수는 “기존의 습식 전사인쇄 기술로는 불가능했던 바이오센서나 반도체 소자 제작처럼 정밀하고 대량 생산이 필요한 산업에 적용 가능하며, 연구실 단위의 소규모 시설에서도 빠르고 안정적인 고정밀 소자 제작이 가능하다.”면서, “앞으로 더 많은 분야에서 적용될 수 있도록 해당 기술을 더욱 발전시키겠다.”고 소감을 밝혔다.

한편, 이번 연구는 DGIST 로봇공학전공 하정대 석박사통합과정생이 제1저자로 참여했으며, 국제학술지 사이언스의 자매지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 7월 9일자 온라인 게재됐다. 아울러 한국연구재단 신진연구자지원사업과 나노소재원천기술개발사업, 바이오의료기술개발사업, 휴먼플러스융합연구개발 챌린지 시범사업으로 수행됐다.

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연구결과개요

Instant, multi-scale dry transfer printing by atomic diffusion control at heterogeneous interfaces
Seungkyoung Heo, Jeongdae Ha, Sook Jin Son, In Sun Choi, Hyeokjun Lee, Saehyuck Oh, Janghwan Jekal, Min Hyung Kang, Gil Ju Lee, Han Hee Jung, JunwooYea, Taeyoon Lee, Youngjeon Lee, Ji-Woong Choi, ShengXu, Joon Ho Choi, Jae-Woong Jeong, Young Min Song, Jong-Cheol Rah, Hohyun Keum, Kyung-In Jang
(Science Advances, Online published on July 9th, 2021)

전사 인쇄 공법은 서로 다른 기판에서 제작한 소자들을 새로운 기판으로 옮겨 통합시키는 기술이며 복잡한 전자 소자를 제작하는데 광범위하게 사용된다. 종래의 습식 전사 인쇄 공법은 부식액의 제어할 수 없는 흐름과 확산으로 인해 소자의 모양이 왜곡되거나 정확한 위치에 부착시키기 어렵다는 한계가 있다. 본 연구에서는 인접한 두 물질의 열팽창 계수 차이를 이용하여 소자를 안정적이고 즉각적으로 기판에서 분리할 수 있는 건식 전사 인쇄 기술을 개발했고 해당 기술의 메커니즘을 물리적 모델링과 시뮬레이션을 통해 분석했다.
연구팀은 해당 기술을 통해 멀티 스케일 구조의 무선 전력 전송 회로를 제작한 후 성능을 검증함으로써 미세 구조와 거시 구조가 함께 존재하는 복잡한 시스템도 간단히 전사 인쇄가 가능함을 보였다. 또 이 기술을 활용하여 심혈관 센서, 가스 센서, 광유전학 소자와 같은 복잡한 회로를 제작해냈으며, 인체 실험과 동물 실험을 통해 체내 데이터 수집이 가능함을 확인함으로써 다양한 응용분야에 광범위 하게 적용될 수 있음을 입증하였다.
DOI : 10.1126/sciadv.abh0040

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
가장 보편적으로 사용되는 전사 인쇄 방법인 습식 전사 인쇄 공법은 정확성, 공정시간, 안정성 면에서 많은 한계점이 있다. 이러한 한계점을 극복하기 위해 최근 많은 건식 전사 인쇄 공법이 개발되었으나, 특정 조건에서만 적용이 가능하거나 비싼 장비가 필요한 한계점이 여전히 존재한다. 연구팀은 기존의 습식 전사 인쇄 공법보다 안정적이고 빠르며, 공정의 범용성을 높이고 간단한 공정만으로 전사 인쇄가 가능한 새로운 기술을 개발하는데 성공했다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?
연구팀은 해당 기술이 광범위한 분야에 적용될 수 있음을 보이기 위해 무선 전력 전송 회로, 가스 센서, 심혈관 센서, 광유전학 소자 등을 제작하여 각 소자의 성능을 검증했다. 그 밖에도 이번 연구 성과는 기존의 MEMS 공정을 사용하는 반도체, 바이오센서, 에너지 하베스팅 분야 등 많은 분야에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

Q. 실용화까지 필요한 시간은?
이번 연구에서 개발한 건식 전사 인쇄 공법은 범용성이 높고 과정이 간단하여 거의 모든 전사 인쇄 공정에 바로 적용될 수 있을 것으로 예상된다.

Q. 실용화를 위한 과제는?
기술적으로 이미 실용화가 가능한 단계이며, 후속 연구를 통해 안정성을 향상시킨다면 초정밀 첨단 산업에도 해당 기술의 적용이 가능할 것이다.

Q. 연구를 시작한 계기는?
보편적으로 소자 공정 단계에서 열팽창 현상은 박막간의 박리를 일으키는 원인이 되기 때문에, 소자를 높은 온도로 가열하거나 열팽창 계수 차이가 큰 박막을 인접하게 형성하지 않는다. 연구팀은 이러한 열팽창에 의한 박리 현상을 역으로 이용하여 전사 인쇄 기술에 접목할 경우 기존의 기술들보다 안정적이고 간단하게 전사 인쇄가 가능할 것이라고 생각하여 연구를 시작하게 되었다.

Q. 어떤 의미가 있는가?
이번에 연구팀이 개발한 건식 전사 인쇄 기술은 기존의 습식 전사 인쇄 기술보다 훨씬 안정적이고 빠르다는 장점이 있다. 특히 전사 인쇄 과정이 간단하여 기존의 건식 전사인쇄 기술 적용이 어려운 소규모 연구 시설에도 쉽게 적용이 될 수 있다. 또 복잡한 구조의 소자도 정확하게 옮길 수 있는 장점이 있어 정밀 소자공업과 첨단 산업에 적용되어 산업의 생산성을 크게 증가시킬 수 있을 것으로 기대된다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
이번 연구 성과가 다양한 연구와 산업 분야에 적용되어 기존보다 더 안정적이고 빠른 소자 공정이 가능하기를 바란다. 특히 대규모 장비를 사용 할 수 없는 연구실 단위의 소규모 연구시설에서도 본 연구 성과를 통해 빠르고 간편한 공정이 가능하게 되어 연구에 많은 도움이 될 수 있기를 바란다.

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그림 설명

[그림 1] 열팽창을 이용한 건식 전사 인쇄 기술 개략도

(그림설명)
연구팀이 개발한 열팽창을 이용한 건식 전사 인쇄 기술의 개략도. 열팽창 계수 차이가 큰 물질(Au와 Si, Cu와 Si)을 인접하게 형성하고 가열하는 것만으로 소자를 기판과 분리시킬 수 있다.

a. 금(Au)은 실리콘(Si)과의 상호확산계수가 낮아 온도를 높이더라도 두 물질간의 결합이 생성되지 않아 전사 인쇄에 사용이 용이하다.

b. 그러나 구리의 경우 실리콘과의 상호확산계수가 높아, 온도를 높이면 실리콘과의 결합이 형성되어 전사 인쇄에 방해가 된다. 이러한 경우 구리와 실리콘사이에 원자 확산을 방지하는 박막을 형성하여 높은 온도에서도 결합이 일어나지 않도록 한다.

[그림 2] 건식 전사 인쇄 기술을 적용하여 제작한 바이오센서 및 성능 검증 실험

(그림설명)
건식 전사 인쇄 기술을 적용하여 제작한 바이오센서 및 실험 사진. 본 연구팀이 개발한 건식 전사 인쇄 기술을 이용하여 제작한 심전도 센서 사진(그림 A)과 센서를 이용한 임상 실험의 방법 및 데이터 (그림 B-C).

[그림 3] 개발된 전사 인쇄 기술의 정밀도 실험 수행

(그림설명)
본 연구팀이 개발한 건식 전사 인쇄 기술의 정밀도 검증 실험 사진. 해당 기술을 사용하면 패턴의 스케일과 관계없이 높은 정밀도의 전사 인쇄가 가능함을 실험을 통해 입증했다. 나노미터 스케일의 패턴과 미터 스케일의 패턴 모두 모양의 왜곡 없이 정확한 위치에 전사 인쇄 되었음을 확인할 수 있다.