차세대 인쇄전자기술의 핵심 -
대면적 원통나노인쇄기술개발 및 응용전망

오현석 한국전기연구원 밀양나노센터 센터장

서론
우리나라는 예로부터 많은 양의 정보를 정확하게 전달하고 보급하는 데에 핵심적인 수단인 인쇄술에 관해,  세계에서 가장 으뜸가는 기술을 가지고 있었다.
현존하는 세계 최고의 목판 인쇄물인 무구정광대다라니경(국보 제 126호)이 그렇고, 세계최고의 금속활자인쇄본인 직지심경이 그렇다.
또한, 2007년에는 고려시대의 불교경판인 해인사 팔만대장경이 세계기록문화유산으로 등재되었다.
우리가 일제강점기의 무자비한 우리 문화말살정책과 6.25 전쟁의 폐허 속에서 이렇게 짧은 기간에 다시 일어서서 굳건하게 세계속의 한국으로 발돋움하게 된 무서운 국난극복의 저력 속에는 우리 조상들이 만든 우수한 우리말과 글을 지켜 갈고 닦아 나가려는 강한 의지와 이를 뒷받침하면서 면면이 전수되어온 이와 같은 빛나는 인쇄문화가 그 바탕에 있음을 누구도 부인하지 못할 것이다.
오늘날에도 그 인쇄기술의 저력은 면면이 이어져 내려와서 반도체와 가전, 디스플레이, 휴대폰 강국으로 우뚝 서서 우리의 인쇄기술을 세계에 자랑하고 있지 않은가?
하지만, 반도체와 디스플레이, 태양전지 산업 관련 기술의 내면을 들여다 보면, 겉모습과는 달리 값비싼 핵심공정장비, 소재는 여전히 많은 부분을 외국에 의존하고 있으며, 특단의 대책이 있지 않을 경우, 이 핵심기술의 외국의존도는 점점 심화될 것이 예상된다.
본고에서는  이를 극복하고자, 우선, 세계적으로 주목을 받고 있는 차세대 반도체, 디스플레이, 자동차, 항공우주산업 및 신재생에너지 산업을 주도할 인쇄전자기술의 흐름과 이의 실현을 위한 핵심기술을 살펴보고, 향후 개발방향 및 응용전망을 살펴보고자 한다.
본론
1. 인쇄전자 기술이란?
근래에 들어 인쇄전자기술이란 단어를 어렵지 않게 많이 들을 수 있는데, 영어로는 “Printed Electronics”라고 쓰며, 직역을 하면, 그야말로 인쇄한 전자/부품, 제품으로 된다. 여기에 관해 한 마디로 딱 부러지게 정의를 내린 사전은 찾아보기 힘들지만, 인쇄전자기술이란 [인쇄기술을 이용하여, 여러 가지 다양한 전자부품/ 제품을 만들어 내는 기술]이란 점에는 공통적으로 인정하는 분위기이다. 좀 더 풀어 쓰면,인쇄전자기술이란, 전통적 인쇄기술과 첨단 나노기술을 융합 접목시킨 새로운 인쇄공정을 통해, 기존의 반도체 공정과는 달리, 각종 휴대폰, 엘씨디(LCD)와 오엘이디(OLED), 3차원 텔레비전 등과 같은 디스플레이는 물론 태양전지 등의 첨단전자제품을 빠르고 대량으로 값싸게 만들어내는 혁신적인 기술이라고 할 수 있다.

2. 인쇄전자기술의 현재와 미래
앞서 살펴 본 바와 같이 인쇄전자기술에는 커다란 두 가지 중요한 요소가 있는데, 그 첫 번째가 전통적인 인쇄기술이며, 또 하나는 첨단 나노기술이다. 종래의 전통적인 인쇄기술은 신문을 찍어내는 윤전기에서 신문을 찍어 내듯이 제품을 빠르고 값싸게 대량생산을 할 수 있다는 잇점이 있으며, 첨단 나노기술은 종래의 전통적인 가공, 제조기술로는 구현할 수 없었던 우수한 기능과 품질을 가진 첨단 디스플레이, 태양전지 등의 신제품을 구현하는 것이 가능해진다. 이와 같은 전통적 기술과 첨단기술이 융합된다면, 어떤 일들이 가능해질까? 당연히, 우수한 기능과 품질을 갖춘 첨단 차세대 신제품을 빠르고 값싸게 대량생산하는 것이 가능해져, 산업계에 엄청난 생산기술의 변혁을 초래하게 될 것이다.
인쇄전자기술의 시장은 매우 다양하고 무궁무진하여, 3차원 디스플레이를 비롯한 차세대 디스플레이, 가전제품, 조명, 신개념 태양전지, 연료전지, 항공기, 차세대 반도체, 상품보안, 스마트 폰, 스마트 자동차, 스마트 주택, 여가선용, 의류, 선박, 관광, 예술, 교육, 의료기술 등등에 이르기까지 적용되지 않는 곳이 없을 정도이다.
업계에서 공통적으로 내다보는 나노기술을 응용한 제품시장의 규모는 2013년이 지나면 무려 1000조 이상이 될 것으로 전망하고 있다.
아직까지 인쇄전자 기술 및 시장은 초기단계이므로, 각국에서는 정부주도하에 막대한 자금을 투입하여, 관련 산업체에 기술개발과 시장개척을 도전적으로 진행할 수 있도록 적극적인 지원을 하고 있다.
위 그림 1에서 나노인쇄기술(또는 인쇄전자기술)의 현재와 미래에 관해 나타 내었다.

1) 전통적 반도체 공정
전통적인 반도체 공정에서는(그림 1의 맨 왼쪽)  노광기술(빛을 이용하여 원하는 패턴을 인쇄)을 이용한다. 소정의 설계된 패턴을 전사시키기 위해서는 투명영역과 불투명 영역으로 나누어서 선택적으로 빛을 통과시키는 마스크(포토마스크)의 사용이 필요하다.
반도체 공정은 통상, (1)기판을 씻고 규소산화막을 만들어 주는 반도체 기판의 세정공정 (2)기판위에 감광액을 골고루 바르는 감광액 도포공정 (3)감광액을 건조하기 위해 고온에서 살짝 구워주는 1차 건조공정 (4)마스크 위에 설계된 모양대로 빛(통상 자외선)을 통과시켜 기판위에 도포한 감광액을 설계된 패턴모양으로 사진을 찍는(화학적 반응을 시킴) 노광공정(그림 1의 맨 왼쪽) (5)빛을 받은 부분과 받지 않은 부분을 선택적으로 남겨 씻어 버리는 현상공정 (6)기판상의 선택적으로 남은 감광제 패턴을 더욱 굳히기 위해 고온에서 마무리로 구워주는 2차 건조공정 (7)기판 위의 패턴대로 배선을 만들기 위해 원하는 부분만 남기고, 나머지 부분을 화학적으로 깍아내 버리는 식각공정의 7가지 공정으로 나누어진다.
위에서 사용된 각 공정 중, (4)번의 노광공정 전후에 쓰이는 장비로서, 이빔 라이터, 씨디-셈, 스태퍼, 식각장비 등이 있으며, 고가인데다 대부분이 외국에서 도입되고 있는 실정이다.

2) 평판형 나노인쇄공정
이와 같은 복잡한 반도체 공정을 거치지 않고, 보다 빠르고, 값싸게 반도체 회로 패턴을 미세화하기 위한 대안으로 평판형 나노인쇄기술(이른바 나노임프린트 - Nano Imprint)이 10여년 전부터 등장을 하였다. 이 기술의 핵심은 그림 1의 가운데 있는 그림과 같이 소정의 면적의 나노패턴이 새겨진 작은 평판금형을 미리 제작하여, 이 금형을 이용하여 준비된 기판상의 중합체(폴리머) 위에 일정 압력으로 기판에 수직하게 아래로 눌러 줌과 동시에 열 또는 빛을 주어 중합체를 굳혀 줌으로써, 금형에 새겨진 나노패턴이 기판상의 중합체로 전사되도록 하는 기술이다.
아쉽게도 여기에서 사용되는 평판나노인쇄용 금형은 대부분이 외국에서 수입되고 있으며, 이러한 나노금형을 제작하는 공정장비는 외국의 몇몇 기업에서만 공급되고 있다. 소정의 금형을 가지고 나노급 패턴을 찍어 내는 장비(나노인쇄장비-영어로 나노임프린트 장비)는 외국에서 주로 수입해 왔으나, 최근에는 몇몇 국내 연구소, 기업체를 중심으로 개발에 성공하였으며, 디스플레이, 바이오칩, 연료전지와 엘이디 분야에의 적용을 위한 연구개발이 진행 중이다.
그러나, 차세대 시스템 반도체, 디스플레이용 고휘도 광학필름 소자, 차세대 태양전지 소자 등의 양산을 위해선 기판 위에 나노미터(10억분의 1미터) 크기의 미세 무늬(나노패턴)를 수인치 크기에서 수십인치 이상의 대면적으로, 연속해서 인쇄할 수 있는 기술이 필요하다.
그러나 일반적인 노광공정(그림1 왼쪽)으로는 증착, 노광(마스크), 현상, 식각 등의 기본 공정을 수차례 내지 수십 차례에 걸쳐 반복해야만 하며, 나노미터 단위의 초정밀 인쇄를 실현하기에는 많은 어려움이 따른다. 따라서 현재까지는 평판형 나노인쇄공정을 통해 나노패턴이 새겨진 평판 금형을 이용해 소형 기판 위에 마치 도장을 찍듯이 눌러서 새길 수밖에 없었기에 나노패턴 인쇄를 위해 상당한 시간이 소요됨은 물론, 큰 면적으로 인쇄하는데도 한계가 많았다.(그림1 가운데)
현재 주로 연구되고 있는 평판형 나노인쇄공정(나노 임프린트)의 한계는 다음과 같다.
1) 대면적 적용시 패턴의 균일도 문제
2) 평판형 대면적 나노금형의 제작 비용 상승
3) 기술적 한계로 인한 대면적 나노금형의 제작크기 제한
결국 어쩔 수 없이 패턴이 불연속(끊김)하게 인쇄되거나, 일정 범위의 오차가 나타나는 것을 허용하면서 작은 면적의 나노패턴을 이어붙이는 짜깁기 방법을 시도하는 곳도 있으나 여전히 바람직한 적정 품질수준을 확보하지 못하고 있는 상황이다.

3) 원통형 나노인쇄공정
이러한 문제점을 해결하기 위해 인쇄전자를 비롯한 산업계에서는 위 그림과 같은 원통형 나노인쇄 공정(그림1의 오른쪽)의 적용이 절실히 요구하고 있다. 
원통형 나노인쇄 공정의 장점은 아래와 같다.
1) 대면적 적용시 패턴의 균일도 확보용이
2) 이음매 없는 원통금형을 이용한 대면적화에 유리
3) 원통형 나노인쇄 공정 적용을 통한 전후공정의 연속흐름 생산 가능(예:증착-인쇄-식각 연속 공정 적용)
4) 기존 나노인쇄 공정응용 제품 생산의 패러다임 변혁(첨단전자제품을 빠르고 대량으로 값싸게 만들어내는 혁신)
5) 종래 생각할 수 없었던 새로운 제품, 상품의 출현을 가속화
위의 원통형 대면적 나노인쇄기술개발을 위해 세계 각국에서 심혈을 기울여 연구개발을 하고 있으나, 아직까지 제대로 성공한 곳은 알려져 있지 않은 형편이다.
원통형 나노인쇄기술은 그 파급효과가 지대한 만큼, 선 개발하는 기관이나 국가에서 차세대 인쇄전자기술산업의 주도권을 장악하게 되어 차세대 디스플레이, 신개념 태양전지, 보안시장, 광응용시장에 있어 선도적인 역할을 할 것으로 기대하고 있다.

3. 인쇄전자기술의 핵심 - 원통나노금형 -
이상에서 살펴 본 바와 같이, 원통형 나노인쇄기술은 그 막대한 파급효과에도 불구하고 제대로 적용하기까지에는 극복해야 할 몇 가지 문제점이 있어 아래에 적어 본다.

(1) 원통 소재의 표면 가공 및 감광제 도포기술
- 나노 패턴을 갖는 원통형 금형의 제작을 위해서는 가장 먼저 표면 거칠기가 수 나노미터 이하인 표면조도를 갖는 원통 소재의 개발과 가공 및 감광제의 도포 공정이 필수적이다. 그렇지 않을 경우 아무리 나노패턴을 새길 수 있는 기술이 있어도, 울퉁불퉁한 자갈마당에 고운 패턴을 새겨봐야 소용없을 것이다. 이를 위해서는 적절한 원통형 소재의 개발과 원통형 금형소재 가공장비, 원통형 감광제 도포장비의 개발이 우선되어야 할 것이다.

(2) 원통형 나노광기술
- 나노패턴 노광(露光)공정(optical lithography)은 필름에 빛을 가해 인화지 위에 형상을 만드는 사진 제조과정과 같이, 반도체나 엘시디(LCD) 제조공정에서 회로도가 그려진 포토마스크(필름)에 빛을 가해 엘시디(LCD) 유리기판, 반도체 웨이퍼 위에 미세한 나노선폭의 회로 패턴을 그리는 과정이다.
평판형 노광장비(Stepper)는 반도체나 엘시디(LCD) 등 디스플레이 회로공정 라인에서 사용되는 핵심 장비로 반도체 및 디스플레이 산업 발달에 있어서 병목이 되고 있는 기술이다. 전체 장비 비용에서 차지하는 비중이 점차로 커지고 있으며 1대당 수백억 원에 달하는 고가임에 반해 대부분 해외 소수 기업들이 과점하고 있으며, 우리나라의 경우 일본에서 전량 수입하고 있다. 오래전 국산화가 추진되었으나 환란(아이엠에프-IMF)을 겪으면서 무산되기도 하는 등 난공불락으로 여겨져 노광장비의 국산화는 그동안 업계의 오랜 숙원이 돼 왔다.
- 더우기 원통형 나노노광장비는 아직까지 다른 나라에서도 개발된 사례가 없다. 나노급으로 원통소재를 이송하고, 그 위에 소정의 설계된 나노급의 패턴을 새겨 넣는 기술은 여러 곳에서 시도를 하고 있으나 주목할 만한 결과는 없는 실정이다.

(3) 원통형 나노식각 공정
- 원통위의 감광제 상에 나노패턴을 빛으로 새기는 원통형 노광장비가 개발되었다하더라도, 이를 원통형 소재(금속 또는 세라믹)의 표면 아래로 침투시키지 않으면, 감광제 표면이 너무 물러서 인쇄공정에 제대로 사용할 수가 없다. 따라서 원통형 노광공정 장비에 이어 원통형 나노식각장비 또한 원통형 나노인쇄금형의 제작에 필수적인 것이다.
현재까지 기존의 반도체 공정에 사용되어 온 나노 식각 장비는 전부 평판형으로 제한되어 있으며, 아직 원통형 나노식각 공정이나 장비의 개발에 대한 결과는 전세계적으로 아직 없는 실정이다.

(4) 원통형 나노금형의 측정 검사 공정
- 위의 원통형 나노노광 및 원통형 나노식각공정을 거쳐 어떠한 원통 나노금형이 제작이 되었다고 한다면, 원통형 표면에 새겨진 나노패턴을 측정하여 소정의 양품 금형으로 가공되었는지 검사하는 것이 필수적인 공정이다. 현재 평판형 나노패턴이 새겨진 제품을 검사하는 장비로는 전자현미경이나 해외 몇몇 업체에서 제공하고 있는 씨디-셈 장비가 있으나, 아직까지 원통형 소재에 대면적으로 새겨진 패턴을 파괴하지 않고 검사할 수 있는 장비는 전무하다. 이의 개발을 위한 연구개발은 아직까지 잘 알려져 있지 않다.

(5) 원통형 나노금형을 이용한 제품인쇄 공정
- 원통 나노금형을 이용하여, 평판기판 위 또는 구부릴 수 있는 필름위나 다른 원통기판 상에 전사시키는 원통 나노제품인쇄기술 또한 만만치 것으로 예상된다. 패턴의 정교함과 제품의 요구사양에 따라서는 원통금형을 굴리는 속도와 기판의 대응속도가 잘 맞지 않을 경우 불량이 생기기 쉽고, 이러한 상대적인 작동을 초정밀(때로는 수십 나노미터급)하게 제어하기란 매우 어렵기 때문이다. 그러나, 이러한 원통형 금형의 패턴을 기판위로 전사시키는 작업은 수마이크로급까지는 많은 연구소와 기업들에서 수많은 연구개발과 응용제품을 내어 놓고 있어 제품양산관련 문제를 극복하는 것은 그다지 어려운 일로 보이지는 않는다.

4. 대면적 원통 나노인쇄기술의 구현은 가능한가?
자, 그러면, 차세대 인쇄전자기술의 핵심인 대면적 원통 나노인쇄기술의 구현은 과연 가능할 것인가? 지면 관계상 여기에 관해 실제로 개발된 사례를 소개하고자 한다.
이와 관련하여 오랜 가뭄에 단비같은 소식이 국내외 인쇄전자 업계에 전해졌다.
최근 한국전기연구원에서 원통형 나노금형 제작관련 핵심기술을 세계 처음으로 개발하였다는 뉴스가 보도되었다.
2010년 3월 31일자 언론보도에 따르면,
[나노미터(10억분의 1미터)급의 미세한 무늬를 대면적의 반도체 및 LCD 등의 기판이나 태양전지 등에 대량으로 정밀하게 인쇄할 수 있는 첨단 기술이 유럽 일본 등 세계 굴지의 기업·연구소에 앞서 국내 연구진에 의해 세계 최초로 개발됐다.
그동안 업계의 숙원이자 난공불락으로 여겨졌던 기술 병목을 해결한 쾌거로서 향후 반도체/디스플레이 양산의 패러다임을 변화시켜 우리나라가 이 분야에서 세계 시장을 주도하는데 크게 기여하는 한편, 입는 컴퓨터와 접을 수 있는 디스플레이와 같은 차세대 신기술 제품 출현을 앞당기는 중요한 계기가 될 것으로 전망된다] 고 한다.
한국전기연구원(KERI) 산업연구본부 오현석 박사팀과 (주)상진미크론, (주)쓰리에스엠케이, (주)뉴옵틱스가 4년여간 200억원의 연구비를 투자한 끝에 세계에서 처음 개발한 것으로, 이로써 한국전기연구원은 차세대 반도체·디스플레이와 태양전지 산업에 꼭 필요한 대면적의 나노·마이크로 패턴의 인쇄가 가능한 금형을 제작할 수 있는 일괄공정 체제를 갖추게 됐다.
이번 기술의 핵심은 세계최초로 시도된 자기부상기술 및 전자빔을 결합한 신개념 원통형 나노노광장비, 그리고 플라즈마 기술을 이용한 원통형 나노식각장비를 이용하여 원통 금형 표면에 직접 나노 구조물을 제작하는 기술이다.
차세대 시스템 반도체, 디스플레이용 고휘도 광학필름 소자, 차세대 태양전지 소자 등의 양산을 위해선 기판 위에 나노미터급 패턴을 대량 인쇄하기 위한 기술이 필요하다. 때문에 전 세계적으로 유럽과 일본이 연합하여 국제 공동연구개발 프로젝트를 추진하는 등 이미 국내외 굴지의 기업 및 연구소들이 관련 기술개발에 심혈을 기울이고 있는 반면 아직까지 업계의 요구를 만족시킬 만한 생산 장비나 기술이 출현하지 않고 있다. 이러한 상황에서 한국전기연구원은 그동안 자기부상열차 개발 등을 통해 축적해 온 초정밀 자기부상기술을 기반으로 관련 산업의 변혁을 몰고 올 해당 기술의 개발에 성공했다.
연구팀은 나노패턴 인쇄를 위한 나노금형 제작이라는 난제 해결을 위해 초정밀 자기부상기술을 적극 활용했다. 연구팀은 자기부상기술로 진공에서 공중에 띄운 원통모양의 금형소재를 나노미터급으로 초정밀하게 회전 및 이송시키면서 빛[전자빔]으로 가공해 나노패턴을 원통 금형의 둘레에 이음매없이 인쇄할 수 있도록 하는 나노 노광장비를 개발했으며, 아울러 플라즈마 기술을 이용한 원통형 나노식각장비를 개발해 원통 소재의 금속 표면에 나노 구조물을 새기는데 성공하였다(그림 3).
이 장비를 이용하면, 마치 윤전기를 연속적으로 회전시키면 신문이 인쇄되어 나오듯이, 원통금형을 굴리면, 차세대 반도체 소자나 디스플레이용 광학필름, 나노구조물을 응용한 신개념의 태양전지 기판 등에 대면적으로 나노패턴을 연속적으로 인쇄하는 것이 가능하다.

5. 향후 전망
이에 따라 디스플레이용 고휘도 광학필름의 개발이 가능해져 전량 수입에 의존했던 고가의 광학필름을 국내에서도 제작할 수 있게 될 전망이다. 또 이기술은 다양한 고부가가치 제품의 개발에도 활용될 수 있다. LCD용 고휘도 광학필름을 비롯해 차세대 디스플레이용 광학소자, 전자기기 외장 고급화 필름, 지문이 묻지 않는 내지문 필름, 화폐 및 상품권 보안용 홀로그램 필름, 고효율 태양전지 민 연료전지 패널, 전파식별 태그, 고휘도 LED 조명 등 각종 대면적 마이크로 및 나노패턴 가공기술을 응용한 제품들이 그 예이다.
특히 LCD, OLED, 3차원 디스플레이, 구부릴 수 있는 유연디스플레이 등 각종 디스플레이의 양산공정에 이음매가 없는 정교한 원통을 사용할 경우 대폭적인 생산공정 단축과 생산성향상이 가능해진다.
밀양나노센터에서 세계 처음으로 개발하고, 유일하게 보유하고 있는 원통형 대면적 나노패턴 인쇄 원천기술은 그 동안 인쇄전자 기술의 한계로 인해 도전할 수 없었던 독창적, 혁신적인 제품개발을 가능하게 해서 새로운 응용산업의 출현을 촉진하고 기존의 생산방식을 대체할 수 있다. 따라서, 생산공정의 대폭적인 단축과 생산성 향상을 가능하게 해 전 세계 반도체, 디스플레이, 태양전지 업계에 커다란 변혁을 몰고 올 것으로 예상된다.

그림 1. 나노인쇄기술의 현재와 미래

그림 2. 대면적 원통형 금형 제작을 위한 일괄공정 시스템 개념도

그림 3. 원통형 나노패턴 인쇄장비 사진. 오현석 박사팀은 초정밀 자기부상 기술을 이용, 진공 속에서 공중에 띄운 원통모양의 금형소재를 나노미터급으로 초정밀하게 회전 및 이송시키면서 빛으로 가공하여 대면적 나노패턴을 원통 금형의 둘레에 이음매 없이 인쇄할 수 있는 나노노광장비를 개발하였다.

오현석
부산대학교 기계공학과 학사
부산대학교 대학원 기계공학과 석사
독일 브라운쉬바이크(Braunschweig)공대 기계공학과 박사
엘지전자 종합기술원(금형 CAD/CAM 추진 프로젝트 수행)
엘지생산기술원 책임연구원(핵심제품 개발/생산 프로젝트추진)
한국전기연구원 나노공정장비그룹 그룹장
현재 한국전기연구원 밀양나노센터 센터장