Special 차세대 AI 산업 핵심 반도체 세라믹 기술 동향(1)

광학 분야에서의 전사공정 기법

김봉중_홍익대학교 기계시스템디자인공학과 조교수

전사 인쇄 기술은 마이크로 및 나노 물질을 정밀한 2차원 및 3차원 배열로 조립하는 기술을 발전시켰다. 이러한 기술들은 유연 전자기기, 광전자 장치, 고성능 센싱 등의 통합 기능 시스템에 이러한 물질과 구조를 적용하는 다양한 방법을 제공한다. 여기서 다양한 전사 인쇄 기술의 최근 발전에 대해 다루며, 특히 그 메커니즘, 기본 요소, 그리고 복잡성의 다양한 수준을 가진 광학 시스템에서의 특정 응용에 초점을 맞추어 이들의 작동을 지배하는 기계적, 재료적 요인들을 다룬다.

1. 서론

전사 인쇄 기술은 재료 전사를 통한 장치 제조에 널리 사용되는 혁신적인 방법으로, 다양한 응용 분야에서 확장 가능하고 비용 효율적인 생산을 가능하게 한다. 이 기술은 기능성 '잉크' 또는 완성된 장치를 한 기판에서 다른 기판으로 전사하는 과정을 포함하며, 다양한 재료와 구조를 정밀한 장치로 통합할 수 있다. 기능성 잉크는 다양한 재료, 기하학적 구조를 포함하며, 이들은 다양한 기능성 장치로 통합될 수 있다. 재료는 고성능 경질 재료(예: 세라믹, 반도체, 금속, 산화물 박막)부터 복잡한 분자 규모 재료까지 다양하다. 메타물질의 전사 인쇄는 특히 광학 응용 분야에서 주목받고 있다. 이 기술은 위상 불연속성 제어, 투명 망토, 초렌즈 등 자연에서 볼 수 없는 특이한 광학 특성을 구현할 수 있게 한다. 또한 산업 및 군사 분야에서 레이저, 이미지, 안테나, 바이오센서 등 다양한 광학 장치 개발로 이어졌다. 최근 전사 인쇄 기술의 발전으로 유연하고 신축성 있는 광전자 장치 제작이 가능해졌다. 이를 통해 유리, 플라스틱, 고무, 실리콘 등 다양한 기판에 성능 저하 없이 광전자 구성요소를 통합할 수 있게 되었다.

2, 전사 인쇄 기술

전사 인쇄 기술은 마이크로 및 나노 재료를 정밀하고 공간적으로 제어된 방식으로 2D 및 3D 구조로 조립 및 통합을 가능하게 한다. 이 방법들은 Si, GaN, SiC, GaAs와 같은 고성능 반도체 재료와의 호환성으로 인해 강력하다. 이 재료들은 실온에서 높은 정밀도, 수율, 속도로 다양한 수용체 기판에 조립될 수 있다. 이 절차를 반복적으로 수행하면 2D 또는 3D 레이아웃을 생성하고 이를 이종 시스템에 통합할 수 있는 고해상도, 대면적 조립이 가능하다.

2-1. 기계적 전사 인쇄

일반적으로 사용되는 전사 인쇄 기술 중 하나는 탄성중합체 스탬프를 사용하여 기능성 재료를 원래 기판에서 수용체 기판으로 전사하는 것이다. 이 '픽앤플레이스' 방식으로 여러 층을 쌓아 넓은 영역에 이종 기능성 장치를 조립할 수 있다.[1] 탄성중합체 스탬프의 사용은 두 계면에서    접착을 정밀하게 제어할 수 있게 한다. 스탬프의 점탄성 특성으로 인해 박리 속도가 접착 강도를 좌우하며, 이는 스탬프와 장치 사이의 반 데르 발스 힘을 유지하기에 충분하다. 이 과정에서 장치/기판 계면에서는 일정한 임계 에너지 방출 속도가, 스탬프/장치 계면에서는 속도에 민감한 임계 에너지 방출 속도가 발생한다. 결과적으로 박리 속도가 높을수록 당기는 힘이 증가한다. 이 기술은 0D, 1D, 2D 및 3D 구조물 등 다양한 구성의 재료에 폭넓게 적용되었다. 이러한 다양성은 전사 인쇄 기술의 유연성과 광범위한 응용 가능성을 잘 보여준다. 전사 인쇄 중 기능성 장치나 구성요소와 탄성중합체 스탬프 사이 계면의 강도는 주로 반 데르 발스 상호 작용으로 결정되며, 이는 접촉 면적에 직접적인 영향을 받는다. 

그림 1. 기계적 전사 인쇄-픽앤플레이스 방식.[1]

  그림 2는 제어된 균열을 이용하여 재료를 제작 기판에서 물리적으로 분리하는 전사 인쇄 방법의 예를 보여준다. Si 나노와이어 어레이를 제작 후 PDMS로 코팅하고 230°C에서 2시간 동안 열 어닐링 했다. PDMS 내 내장된 Si 나노와이어는 블레이드로 제작 웨이퍼에서 물리적으로 분리되었다. 또한, PDMS를 헥산 같은 용매에 담가 부피의 200% 이상으로 팽창시킬 수 있다. 이로 인해 각 Si 나노와이어 하단 부분에 파괴 한계를 넘는 기계적 응력이 집중되어 결과적으로 Si 나노와이어가 균일한 높이로 제작 웨이퍼에서 물리적으로 분리된다.

그림 2. 기계적 전사 인쇄-균열 전파 방식.[2,3]

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