<그림> 자외선 경화형 접착 필름을 사용한 무용매 포토리소그래피 패터닝 방법 / POSTECH 제공
자외선을 만나면 경화되는 필름을 이용해 투명전극 소재로 각광받고 있는 은 나노와이어(silver nanowire, AgNW)를 원하는 형태로 손쉽게 패터닝하는 기술이 나왔다.
POSTECH(총장 김무환･포항공과대학교) 기계공학과 김준원 교수, 통합과정 유동우 씨 연구팀은 자외선 경화형 필름을 이용해 용매를 사용하지 않는 포토리소그래피 기술을 개발했다.
연구팀은 기존 단면 지름이 수십 나노미터(nm, 10억 분의 1미터)인 가늘고 긴 막대 형태의 은 나노와이어는 투명하면서도 전도성이 뛰어나지만, 은 나노와이어의 전극 패터닝(patterning, 기판에 원하는 회로나 모양을 제작하는 행위)을 위한 기존의 포토리소그래피 (photolithography, 사진 인쇄 기술과 비슷하게 빛을 이용하여 기판에 복잡한 회로 패턴을 제조하는 기법) 공정은 독성 용매 노출의 위험이 따르는 등 복잡한 공정과 고가의 제작 비용 때문에 디바이스 전체의 제작 시간과 비용 절감을 실질적으로 구현해야 하는 과제가 있었다.
이에 연구팀은, 스티커와 같이 끈적거리던 필름에 자외선을 조사하면 굳게 되는데, 이 원리를 선택적으로 적용하면 은 나노와이어를 원하는 형태와 크기로 손쉽게 패터닝 할 수 있다는 것을 규명했다.
연구팀에 따르면 유연하고 투명한 은 나노와이어는 빛을 잘 통하게 해 태양 에너지가 효율적으로 저장될 수 있어 태양전지와 같은 광전자 소자는 물론 유연한 터치 센서와 폴더블 디스플레이 같은 플렉시블 전자기기, 투명 히터(heater)와 같은 스마트 글라스 등 폭넓은 활용 범위로 관심을 모으고 있다는 것.
그러나, 은 나노와이어의 전극 패터닝을 위한 기존의 포토리소그래피는 복잡한 공정 과정과 다양한 용매를 사용해야 하는 문제점 때문에 적용이 어려웠다.
특히, 기판에 도포된 은 나노와이어의 경우 가느다란 막대 형태로 구성되기 때문에 포토리소그래피 공정의 여러 단계에서 사용되는 용액들에 의해 손실과 손상이 발생되어 제작된 전극의 전도성이 떨어지거나 원하는 선폭의 패턴 제작이 어려울 수 있다.
이런 과정의 문제해결을 위해 김준원 교수팀은 자외선과 만나면 경화되는 UV 경화형 필름을 사용함으로써, 포토레지스트(photoresist, 반도체 원료인 웨이퍼 위에 도포하는 감광액으로서 빛을 받아 회로와 패턴을 새기는 특수 고분자물질), 현상액(develop, 현상액을 이용하여 필요한 곳과 필요 없는 부분을 구분하여 패턴을 형성하기 위해 일정 부위의 포토레지스트를 제거하는 것), 에천트(ethchant, 에칭에 사용하는 부식액) 없이 무용매로 기존의 공정 과정을 크게 단순화했다.
이 방식은 자외선과 포토마스크로 패터닝된 필름을 은 나노와이어가 도포된 기판에 붙이고 추가적인 자외선을 조사한 후 필름을 떼어내면은 나노와이어를 원하는 패턴으로 만들어 낼 수 있다.
또, 이 기술은 포토리소그래피 공정에 필수적이었던 포토레지스트 도포, 현상, 에칭 (ethching, 금속 표면을 산 따위를 써서 부식시켜 소거하는 방법)이나 포토레지스트 박리 과정을 건너뛰게 돼 제작 시간과 비용을 단축할 수 있을 뿐 아니라, 독성 용매의 사용이 없어 상대적으로 친환경적이다.
이와 더불어 은 나노와이어의 선폭, 간격을 미세하게 조정하거나 선 가장자리를 매끄럽게 처리해 보다 전극 패터닝의 품질을 높일 수 있다는 것이 장점이다.
김준원 교수는 “해당 기술을 확장하면 다양한 광전자 소자 및 플렉시블 전자기기 개발에 실질적인 도움이 될 수 있을 것으로 생각한다”고 설명하며 차기 적용 분야를 모색하고 있다.
한편, 이번 연구성과는 특허 출원이 완료되어 특허 등록 심사 중에 있으며, 재료과학 분야의 국제 학술지 ‘스몰 메소드(Small Methods)’ 에 최근 게재됐다.