▲ 기계연 김재영, 이원섭 선임연구원이 디지털 노광기 구동 테스트를 진행하고 있다.

국내 연구진이 반도체 핵심 공정인 리소그래피를 롤투롤(Roll-to-Roll) 연속 생산공정에 적용한 기술을 개발하며 차세대 유연전자소자의 대량생산 기반을 마련했다. 기판의 미세한 비틀림과 위치 오차를 실시간으로 보정하면서도 노광 마스크 없이 고해상도 패터닝을 구현해 생산성과 제조 경쟁력을 동시에 높일 수 있을 것으로 기대된다.

한국기계연구원(원장 류석현, 이하 기계연)은 나노융합연구본부 장원석 본부장 연구팀이 유연기판을 연속으로 패터닝할 수 있는 ‘롤투롤 디지털 마스크리스 리소그래피 시스템’을 개발했다고 29일 밝혔다.

이번 기술은 실시간 패턴 보정이 가능한 디지털 리소그래피 스캐너와 롤투롤 이송시스템을 결합하고, DMD(Digital Micro-mirror Device) 기반 디지털 노광기술과 초정밀 웹(Web) 이송 제어기술을 융합한 것이 특징이다. 이를 통해 기판 이송 과정에서 발생하는 위치 오차와 장력 변형을 실시간으로 보정하면서 최소 선폭 10㎛ 이하의 고해상도 패터닝을 구현했다.

리소그래피는 반도체와 디스플레이, 전자소자 제조에서 미세회로를 형성하는 핵심 공정이다. 그러나 기존 디지털 노광기술은 평면 스테이지 기반으로 구동돼 장비 크기에 따라 기판 크기가 제한됐으며, 유연기판은 보조기판에 부착한 뒤 다시 분리하는 우회 공정을 거쳐야 해 생산성이 낮고 불량 발생률이 높다는 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 회전하는 곡면 롤 위에서 직접 패터닝하는 라인빔(Line Beam) 노광 구조를 적용했다. DMD의 2차원 이미지를 선형 이미지로 변환하는 디지털 노광 헤드를 개발해 원통형 롤 표면에서도 균일한 노광이 가능하도록 했으며, 유연기판을 보조기판 없이 직접 이송하면서 패터닝을 수행할 수 있도록 구현했다.

특히 기판 이송 과정에서 발생하는 미세한 사행과 장력 변동, 점탄성 변형, 비틀림, 흔들림 등을 비전 시스템으로 실시간 측정해 즉시 보정하는 기술을 적용했다. 언와인더와 리와인더, 인피더, 아웃피더로 구성된 장력 제어 시스템과 다단계 제어기술을 통해 동적 진동을 억제하고, 패터닝 롤러 구간에서 기판 변형을 최소화했다. 잔존 오차는 얼라인 키를 인식해 실시간으로 디지털 마스크를 생성·보정함으로써 정밀도를 높였다.

또한 패터닝 롤러에는 에어베어링과 아치형 코어리스 모터를 적용해 마찰과 코깅(Cogging) 현상을 최소화했다. 이를 통해 롤러 회전진동 2㎛ 이하, 정속 회전 위치오차(RMS) 1μrad 이하의 초정밀 제어 성능을 확보했으며, 실험에서는 약 8㎛급 최소 패턴 구현에도 성공했다.

이번 기술은 별도의 노광 마스크를 제작하지 않고 소프트웨어 설계만으로 다양한 패턴을 즉시 구현할 수 있다는 점도 강점이다. 제품 설계 변경 시 마스크를 새로 제작할 필요가 없어 개발 기간과 생산 비용을 크게 줄일 수 있으며, 유연기판을 직접 연속 이송하는 방식이어서 기판 길이의 제한 없이 대면적 양산도 가능하다.

기계연은 이번 성과가 유연 PCB를 비롯해 플렉시블 디스플레이, 웨어러블 전자기기, 차세대 반도체 패키징, 이차전지 공정 등 다양한 첨단 제조 분야에서 활용될 것으로 기대하고 있다. 향후 롤 표면 패터닝을 위한 디지털 노광 공정에도 적용이 가능해 응용 분야가 더욱 확대될 전망이다.

이번 기술은 반도체 핵심 공정인 리소그래피를 롤투롤 연속 생산공정에 성공적으로 적용하고, 기판 변형을 실시간으로 보정하면서 고해상도 패터닝을 구현한 기술력을 인정받아 북미 최대 롤투롤 기술 전문 학회인 '2026 R2R USA Conference & Expo'에서 'Technology of the Year Finalist'에 선정됐다.

장원석 기계연 나노융합연구본부 본부장은 “롤투롤 디지털 리소그래피 시스템은 유연전자소자의 대량생산을 가능하게 하는 핵심 플랫폼 기술”이라며 “유연 PCB를 비롯한 고해상도 유연전자소자와 반도체 패키징 공정 등 다양한 산업 분야에 적용될 것으로 기대한다”고 말했다.

한편 이번 연구는 한국기계연구원 기본사업인 ‘실시간 보정형 롤투롤 패터닝 장비 핵심기술 개발'’과제를 통해 수행됐다. 연구팀은 SCI 논문 25편을 발표했으며 대표 논문은 국제학술지 ‘International Journal of Optomechatronics’에 게재됐다. 또한 국내 특허 12건과 국외 특허 1건을 등록하고 국내외 특허를 추가 출원했으며, 누적 기술료 3억2,000만원의 연구성과를 거뒀다.