나노기술이 급부상하면서 이에 대한 관심과 기대가 커지고 있다. 특히 나노기술 상용화의 밑바탕을 제공하는 나노메카트로닉스 연구가 최근 국내에서 활발히 진행돼 시선이 집중되고 있다. 사이언스타임즈는 한국을 먹여 살릴 첨단미래기술을 소개하는 특집 '첨단과학리포트'를 마련했다. 이번에는 나노메카트로닉스 기술로 상용화가 된 블루레이 디스크를 소개한다 <편집자주>.

기사 게재 순서 나노세계의 요술방망이, 나노메카트로닉스 나노제품 대량으로 찍어내는 나노임프린팅 10억분의 1m를 측정하고 나노벽돌 만든다 현실로 튀어나온 나노상품, 블루레이 디스크 전문가 인터뷰, 이상록 나노메카트로닉스 기술개발사업단장

정보화가 급속하게 진전됨에 따라 자료의 종류와 분량이 크게 증가하면서 컴퓨터 사용자들이 자료를 저장하고 관리할 때 사용하는 ‘정보저장장치’의 중요성이 점차 커지고 있다.

현재 대용량의 정보를 저장하고 관리할 때는 CD(compact disk)나 DVD(digital versatile disk)와 같은 광학식 정보저장 매체가 사용하기 편리하기 때문에 큰 인기를 모으고 있다. 그러나 소프트웨어나 게임, 영화 등 자료의 용량이 점점 더 방대해지면서 기존의 CD나 DVD는 한계를 드러내고 있다.

정보통신서비스 시스템의 진화에 따라 초고속통신이 가능해지고 정보의 유통량도 기하급수적으로 증가하면서 정보저장장치 저장용량의 대용량화는 시대적 과제가 되고 있다. 나노기술이 발전하면서 차세대 광학식 정보저장 매체로 내놓은 나노제품이 바로 ‘블루레이 디스크’ (Blu-ray Disc)다.

광학식 정보저장 매체는 디스크 표면에 새겨진 미세 구조물 위의 비트 정보를 반도체 레이저를 통해 읽어내 재생하는 방식으로 이뤄진다. 따라서 디스크 표면의 미세 구조물의 개수가 많아질수록 디스크에 기록할 수 있는 비트 정보는 많아지며, 저장할 수 있는 용량이 커진다. 따라서 디스크의 저장 용량을 크게 하기 위해서는 디스크 표면의 미세 구조물의 폭과 간격을 작게 해서, 기록할 수 있는 비트정보를 증가시켜야 한다.

1982년부터 실용화돼 현재에도 많이 사용되고 있는 CD는 지름 12cm 크기의 디스크 표면에 폭 8백30nm(나노미터, 1nm는 10-9m)의 미세 구조물이 1천6백nm의 간격으로 배열돼 있다. 1996년에 등장한 DVD의 경우에는 CD에 비해 미세 구조물의 크기가 훨씬 작아져서, 폭 4백nm의 미세 구조물이 7백40nm 간격으로 배열돼 있다. 이런 사이즈의 미세 구조물 상에 비트를 기록할 경우, CD는 650MB(메가바이트, 1MB는 106B), DVD는 4.7GB(기가바이트, 1GB는 109B)의 용량을 저장할 수 있다.

블루레이 디스크는 4.7GB를 뛰어넘는 대용량의 저장장치로 최근 가장 각광을 받고 있는 차세대 광학식 정보저장매체다. 기존의 CD나 DVD가 6백50nm 파장의 적색 레이저를 광원으로 사용하는데 비해, 블루레이 디스크는 4백5nm 파장인 청자색 레이저를 이용해 5배의 기록용량 향상을 가져왔다.

블루레이 디스크는 지름 12cm 크기에 데이터 저장용량이 25GB이기 때문에 HDTV(고화질 텔레비전)급 화질의 동영상을 2시간 동안이나 저장할 수 있다. 이처럼 저장용량이 크게 늘어난 까닭은 디스크 기판 위에 1백50nm 크기를 지닌 미세 구조물을 3백20nm의 간격으로 균일하게 형성돼 있기 때문이다. 기존의 DVD 디스크 기판과 비교해보면 블루레이 디스크는 3배 이상 더 사이즈를 줄어든 셈이다.

이처럼 극미세 형상의 구조물이 균일하게 형성돼 있는 블루레이 디스크를 제작하기 위해서는 기존의 CD나 DVD 제품을 만들 때 사용했던 폴리머 제품 제작기술인 사출성형 기술을 더욱 발전시킨 ‘나노 사출성형 공정기술’이 반드시 필요하다. 나노 사출성형 기술은 고체 상태의 폴리머 물질을 높은 온도에서 녹여서, 미리 제작된 나노 구조물을 지닌 금속 스탬퍼 안에 높은 압력으로 채워 넣은 후, 다시 냉각시켜서 미세 구조물을 갖는 폴리머 제품을 제작하는 나노제품 생산기술이다.

실제 나노 사출성형 기술을 이용해 블루레이 디스크를 만들려면 가장 먼저 디스크의 원판 역할을 하는 ‘스탬퍼’를 가공하는 공정기술이 필요하다. 스탬퍼 제작은 블루레이 디스크를 만들기 위한 핵심적인 기술로 레이저나 전자 빔(electron beam)을 응용해 미세 형상을 지닌 초기 기판을 제작하고, 이 초기 기판에 전기 주조(electroforming) 공정을 적용해 수백㎛(마이크로미터, 1㎛는 10-6m)의 두께를 갖는 금속 스탬퍼를 제작하는 방법을 사용한다.

디스크의 원판 역할을 하는 금속 스탬터 위에는 디스크 상의 미세 구조물과 반대 형상을 갖는 금속 미세 구조물이 존재하는데, 이와 같은 금속 미세 구조물을 정밀하게 제작하기 위해서는 무엇보다 나노기술이 중요하다.

이렇게 제작된 금속 스탬퍼를 이용해 나노 사출성형 공정을 진행할 때는 적합한 온도와 압력을 설정하는 것이 무엇보다 중요하다. 온도가 낮을 경우에는 폴리머가 미세 패턴 상에 완전하게 채워지지 않는다. 반면 온도나 압력이 과도하게 높을 경우에는 사출성형 과정이 끝난 후 금속 스탬퍼와 폴리머 기판 사이에 접착 현상이 발생해, 폴리머 제품의 표면 특성이 저하된다. 따라서 나노 사출성형 공정 중에는 적합한 온도와 압력을 설정하는 과정과 표면 특성을 향상시키기 위한 스탬퍼 처리에 관한 연구가 중요하다.

과학기술부 21세기 프론티어사업 중 하나인 나노메카트로닉스 기술개발사업단에서는 블루레이 디스크를 개발해 올해부터는 블루레이 디스크 양산관련 설비를 설계하고 제작해 상용화를 진행할 예정이다. 선진국에서 개발한 기존의 블루레이 디스크는 카트리지 속에 디스크가 내장된 형태로 사용이 불편하고 보관의 어려웠으나, 사업단에서 개발한 블루레이 디스크는 카트리지가 없고 표면을 특수 코팅 처리해 광학특성품질을 향상시켰다.

나노 사출성형공정 기술 개발을 통해서 1백50nm급 미세 구조물 제작과 블루레이 디스크 제작을 완료한 사업단은 앞으로 2단계 2백GB급(75nm급) 제작 연구개발에 착수할 예정이다. 또한 테라급 저장매체에 대한 연구개발도 순차적으로 진행할 예정이어서 앞으로 더 큰 기대를 모으고 있다.