포토리소그래피는 반도체의 표면에 사진 인쇄 기술을 써서 집적 회로, 부품, 박막 회로, 프린트 배선 패턴 등을 만들어 넣는 기법이다.
하지만 기존 포토리소그래피 공정은 자외선이 항상 수직방향으로 내리쬐기 때문에 빛의 노출 방향에 따라 형성되는 미세패턴이 2차원으로만 제조되는 한계가 있었다.
연구팀은 3차원 패턴 제조를 위해 산소를 사용했다. 일반적으로 빛을 이용한 중합반응에서 산소는 물질이 굳게 되는 경화작용을 방해하는 요소로 알려져 있다. 하지만 김 교수 연구팀은 이 특성을 역으로 이용했다.
일부 영역에만 자외선을 노출시키면 그 부분만 산소의 농도가 감소하게 되고 그 외 영역의 산소의 농도는 유지된다. 농도의 차이로 인해 자외선이 노출된 영역으로 산소의 확산 현상이 발생한다.
이를 통해 기존에는 동일한 속도로 발생한 경화작용이 시간차를 두고 이뤄진다. 물질의 형성이 일정하지 않기 때문에 미세패턴의 모양도 다양해지고, 확산 방향과 속도를 의도적으로 조절함으로써 3차원 형상의 패턴 제작도 가능해지는 것이다.
이러한 신규 기술을 연속적으로 융합해 사용하면 더욱 복잡한 형상과 다양한 성분으로 구성이 가능하다. 자성 입자를 삽입해 자기장을 이용한 의료용 패치를 만들거나, 온도에 따라 팽창하고 수축하는 젤을 삽입해 곡면을 갖는 형태의 필름도 제작할 수 있다.
이 기술로 디스플레이 소자를 포함한 다양한 전자기기의 광학소자, 패치형 약물 전달체, 물과 기름에 젖지 않는 표면 등 3차원 미세패턴 및 미세입자 연구를 통해 구현 가능한 기술들의 상용화가 기대된다.
김 교수는 “3D 프린팅 기술은 혁신적이지만 미세형상 제어와 대량생산이 어려운 반면, 이 기술은 3차원의 미세패턴을 대량생산할 수 있다”며 “대부분의 학계와 산업계에서 포토리소그래피 장비를 쓰기 때문에 큰 파급효과가 있을 것”이라고 말했다.
연구팀은 연구 결과를 2013년 불의의 사고로 고인이 된 콜로이드 및 유체역학 분야의 세계적 대가 고(故) 양승만 교수(前 KAIST 생명화학공학과 교수)에게 헌정했다.
이번 연구는 심태섭 박사(현 펜실베니아 대학 연구원)가 주도했으며, 미래창조과학부 산하 한국연구재단의 중견연구자 지원사업으로 수행됐다.
연구 결과는 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 온라인 판에 게재됐으며, 동일 저널의 대표 그림(featured image)으로 선정됐다.
