▲ 액체 거품 생성과 제어를 이용한 패터닝 기술. (a) 다양하고 규칙적인 액체 거품 패턴을 형성하는 모습. (b) 이종 물질 패턴의 직접화. 이 공정은 먼저 만들어진 나노 패턴 위에 다른 물질을 이용한 패턴을 추가로 새겨넣을 수 있다. (c) 공중 부유형 와이어 제작. 액체 거품 틀을 어떻게 설계하느냐에 따라 공중에 뜬 무늬를 만들어 넣을 수도 있다.

우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 ‘거품’의 구조를 이용한 패터닝 기법이 개발됐다. 반도체, 플랙시블 액정 등에 사용되는 기판에 필요한 미세한 패턴을 쉽고 저렴하게 새길 방법으로 기대 모으고 있다.

UNIST(총장 정무영) 기계항공 및 원자력공학부 김태성 교수팀은 ‘액체 거품의 구조를 제어하는 기법’을 개발해 나노 패턴을 대면적으로 새기는 방법을 제안했다.

이는 기존에 많이 사용되고 있는 전자빔 또는 포토 리소그래피 기술로는 제작하기 어려운 웨어러블 장치 개발에 유용할 전망이다.

현재 패터닝에서 가장 많이 쓰이는 전자빔 또는 포토 리소그래피 기술은 원하는 패터닝을 정확한 위치에 할 수 있지만, 오래 걸리는 공정 과정과 고가의 장비 이용으로 인한 높은 단가가 문제였다. 그러한 단점을 극복하기 위해 현재 액체를 이용한 다양한 패터닝 기술이 연구 중이다. 하지만 액체 제어 등 다양한 변수들로 인해 패터닝 기술에서 중요한 정확도를 높이는 것이 관건이었다.

김태성 교수팀은 자연계에서 흔히 볼 수 있는 거품의 구조에서 착안해 미세유체장치를 통해 전례에 없는 시스템을 만들었다. 기판에 필요한 물질을 섞은 액체를 미세유체장치를 통해 자연 증발시켜 규칙적으로 연결된 2차원 패턴을 손쉽게 만든 것이다.

일반적 거품 구조는 ‘폐쇄계(close system)’로 각 공기 방울(cell) 간의 압력 차로 인해 큰 공기 방울이 작은 공기 방울을 흡수하는 오스발트 라이프닝 현상 때문에 규칙적인 나노선 패터닝을 구성하기 어려웠다.

연구진은 미세유체장치를 통해 ‘폐쇄계(close system)’의 거품 구조를 ‘개방계(open system)’를 가진 구조를 만들어 오스발트 라이프닝 현상을 배제해 나노패턴 제어를 쉽게 했다.

제1저자인 배주열 UNIST 기계공학과 박사과정 연구원은 “개방계 거품을 구현하고 그 원리를 분석한 최초의 시도”라며 “이 거품으로 만든 나노 필름 구조가 증발하는 과정에서 물질을 주조하는 틀이 된다”고 설명했다.

김태성 교수는 “전통적 리소그래피(lithography) 기법과 달리 유연한 기판 위에서도 대면적으로 미세한 패턴을 그려 넣을 수 있는 장점이 있는 기술”이라며 “쉽고 저렴하게 몇 분 만에 나노입자나 유기물을 포함한 다양한 물질의 나노 패턴을 만들 수 있어 미래형 기기 제작에 유용할 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 네이처(Nature)의 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’ 7월19일자 온라인판에 게재됐으며, 과학기술정보통신부·한국연구재단의 연구과제(중견연구, 기초연구실, 글로벌박사펠로우십)의 지원으로 이뤄졌다.