광경화성 무기물 잉크 활용 ‘저비용·고효율 광학인쇄기술’ 개발

UNIST 손재성·이지석 교수팀…소재 특성 저해하는 고분자 사용 안 해

울산과학기술원(UNIST) 연구진이 고분자(유기물) 소재를 첨가하지 않은 저비용·고효율의 무기물 광학 프린팅 기술을 개발했다.

28일 UNIST에 따르면 신소재공학과 손재성, 이지석 교수 연구팀은 빛을 받으면 굳는 광경화성 ‘금속 칼코게나이드(Metal chalcogenide) 잉크’와 이를 활용한 광학인쇄공정을 개발했다.

연구팀에 따르면 지금까지 전자제품 등의 부품(소자)에 회로를 그리는 패터닝(Pattering) 공정은 빛으로 소재를 깎아내는 포토리소그래피(Photo-lithography)나 레이저 및 전자빔으로 회로를 새기는 기술이 활용됐다.

이런 공정은 비싸고 복잡하며 처리 시간이 길다는 단점이 있다.

이에 빛을 이용해 소재를 쌓아 올리는 ‘광학 3D 프린팅 기술’이 대안으로 나왔으나, 여기에는 대부분 광경화성 고분자가 포함돼 소재의 특성을 저하하는 문제가 있었다.

이런 문제를 해결하고자 연구팀은 고분자를 포함하지 않는 ‘광경화성 무기물 잉크’를 합성하고, 디지털 광 처리(Digital light processing·DLP) 인쇄 공정에 접목해 ‘무기물 소재 광학 프린팅 기술’을 개발했다.

다양한 무기물 소재 중 최근 반도체 소재로 주목받는 금속 칼코게나이드와 2차원 전이금속 다이칼코게나이드(2D Transition metal dichalcogenide) 소재를 활용했다.

연구팀은 기존 광학 프린팅 공정과 달리 ‘순수 무기물 잉크’만 사용해 공정 후 구조체 내부에 고분자가 남아 전기적 특성을 저해하는 문제를 해결했다.

금속 칼코게나이드 전구체 용액을 합성한 후 광산 발생제를 첨가해 광학 프린팅에 사용 가능한 광경화 특성을 부여한 것이다.

또 나노미터(㎚·10억분의 1m) 두께로 잉크를 쌓아 올리는 DLP 인쇄 공정을 이용해 제조 비용과 시간을 대폭 낮춰 반도체 소재 구조체를 제작했다.

이렇게 제작된 2D, 3D 구조체는 높은 해상도와 균일도를 보였고, 대면적 프린팅이나 3차원 적층 가능성도 보였다고 연구팀은 설명했다.

이지석 교수는 “고분자 지지체 없이도 프린팅 구조체를 수십 나노미터 단위로 조절할 수 있는 정밀한 기술”이라며 “기존 광학 3D 프린팅 공정을 획기적으로 개선한 것은 물론, 소재의 한계를 넘어 다양한 무기물 소재를 프린팅 공정에 직접 접목할 수 있다”고 말했다.

연구 결과는 과학 저널 ‘네이처 커뮤니케이션스'(Nature Communications) 온라인판에 지난 7일 발표됐다.

연구 수행은 한국연구재단 도전형소재기술개발 프로그램, 미래소재디스커버리, 중견연구자지원사업을 통해 이뤄졌다.

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