기술 개발 흐름나노소재 조립 및 패터닝 공정기능성 나노소재를 패터닝 하거나 조립하는 방법은 여러 가지가 있으며, 각각은 장단점을 가지고 있다. 이러한 연구에서 대표적인 연구결과를 살펴보면, 미국 하버드 대학의 찰스 리버(Charlse M. Lieber)교수의 경우에는 2001년 나노튜브를 비롯해서 나노와이어(GaP, InP, Si)를 유체 유동을 이용하여 다양한 패턴으로 정렬했다. 이렇게 제작된 패턴을 이용해서 전기 및 광학 구조물을 제작하는 것을 구현했다(Science 2001). 이 때 제작된 선폭은 약 50~500㎛이며, 길이는 20mm까지의 범위에서 제작했다.이 분야의 방법들을 살펴보면 먼저 가장 많은 연구가 진행되는 것은 탄소 나노튜브를 포함한 나노와이어의 성장 분야이다. 1991년에 일본의 이지마(Ijima) 박사에 의해 처음 발견된 탄소 나노튜브의 경우에는 나노튜브를 키우기 위해서 메탈 촉매를 가스가 들어있는 챔버(Chamber) 안에 넣고, 열을 가하면 기판 상에 있는 촉매로부터 나노와이어가 자라게 된다. 이 때 촉매의 크기나 형태를 조절함으로써 나노와이어의 크기나 직경 등을 제어할 수 있으며, 촉매의 패턴을 조절함으로써 간접적으로 나노튜브가 기판 상에 그림 1과 같이 일정한 패턴으로 자라도록 할 수 있다. 최근에는 이에 관한 연구로는 스탠포드 대학의 Hongjie Dai 그룹에서 많은 선도적인 연구가 진행 중이며, 국내에서는 임지순 교수(서울대), 이영희 교수(성균관대) 등에서 연구가 진행 중이다. 특히 촉매는 작고 균일하게 패터닝 될수록 낱개의 나노튜브가 일정한 패턴으로 성장하도록 할 수 있는데, 이때 챔버 안에 균일한 성장 조건을 유지시켜주는 것이 어렵기 때문에 대면적에 나노튜브를 균일한 형태로 성장시키는 것은 매우 어려운 일이다.두 번째로는 나노튜브를 하나씩 조작하는 것이다. 1999년에 그룹은 주사탐침 현미경(Scanning Probe Microscope, SPM)을 이용하거나 주사전자 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 안에서 복잡한 구동이 가능한 머니퓰레이터(manipulator)를 이용해 나노튜브를 하나씩 붙잡아서 원하는 물체에 부착하거나 나노튜브의 성질을 측정하는 연구를 수행했다. 이 방법은 낱개의 우수한 나노튜브를 원하는 대상에 부착할 수 있는 장점이 있지만 단일벽 나노튜브는 관찰이 어려워서 부착이 거의 불가능하며, 고가의 장비로 많은 시간을 필요로 한다는 단점이 있다.세 번째로는 전계(Field) 가이드 조립 방법이다. 전기장(electric field)이나 자기장(magnetic field)를 이용해서 마이크로 크기의 비드(bead)나 와이어를 정렬하고 원하는 위치에 부착하는 것에 대한 연구는 매우 오래되었으며, 특히 바이오 분야에서 세포를 분리하거나 정제하기 위해 전기이동(Electro- phoresis)이라는 전기화학적 방법의 연구가 많이 진행되었다. 그러나 이 방법은 주로 마이크로미터 이상의 크기를 가지는 것에 대한 것으로 최근에 유전영동(Dielectrophoresis)을 이용한 나노미터의 CD를 가지는 나노소재의 조립에 대한 연구가 증가하고 있다.1997년 Bezryadin은 정전기(Electrostatic)를 이용해 3nm의 콜로이드 입자를 트래핑 하는 연구를 수행했으며, 이 후에 나노입자를 조작, 분리, 해석을 위해 유전영동(Jones 1995), 일렉트로로테이션(electrorotation, Zimmermann, and Neil 1996) 방법들이 개발되었다. 이 외에도 세포나 분자를 또한 유전영동 방법이나 자기장을 이용한 최근 연구결과는 약 100개의 나노튜브를 원하는 전극 차 사이에 90%의 확률로 낱개로 정렬시키는 것이 발표되었다(JH Jung, 2004 and D.P. Long 2004). 또한 원자 현미경(atomic force microscope, AFM) 팁에 탄소 나노튜브를 조립하는 연구에 대해서도 발표되었다(CS Han, 2003).네 번째로는 자기조립분자막(self-assembled Monolayer, SAM)을 이용해 나노소재를 조립하는 방법이다. 자기조립분자막을 이용한 패터닝 방법은 최근에 매우 여러 분야에서 연구가 진행되고 있는데, 초분자, 블록 공중합체 등을 이를 이용해 조립하는 연구가 많이 진행되고 있으며, 3D 구조를 형성하기 위한 연구도 많이 진행되고 있다. 최근에는 나노튜브가 부착될 위치에 미리 패턴을 형성한 후에, 형성된 패턴 위에만 나노튜브가 부착되도록 조립하는 연구 결과가 발표되었다. 이 방법을 이용하게 되면 별다른 회로를 부가할 필요가 없는 장점이 있지만 대 면적에 낱개의 나노튜브가 부착될 만큼의 미세한 선을 패터닝 해야 하는 어려움이 있다. 마찬가지로 현재까지 100개의 나노튜브를 90% 정도의 성공률로 부착할 수 있다고 알려져 있다(S.G Rao 2003 and J.C. Lewenstein 2002).이 외에도 나노소재의 표면을 화학적으로 바꾸어서 이것이 패턴화 된 곳에 부착될 수 있도록 유도하는 방법(D. H. Jung, 2004), Langmuir Blodgett 막(또는 LB 막)을 만들어 한쪽 방향으로의 정렬을 유도한 후 원하는 기판 위에 전사해 나노튜브를 정렬하는 방법(C. M. Lieber 2004) 등도 소개되고 있다. 그러나 아직까지 이러한 방법들 중에서 어떤 방법이 과연 낱개의 기능성 나노소재를 대량으로 대면적에 조립하거나 패터닝 하기에 가장 적합한 기술인지에 대해서는 명확하지 않으며, 이들 외에도 새로운 방법들이 속속 등장하고 있어서 기술적 우위를 판단하기는 쉽지 않다.국내의 경우에 이 분야에 대한 연구는 거의 전무한 실정이지만 전극 차나 원자 현미경 팁 상의 전기장을 이용해 탄소 나노튜브를 부착하는 기술에 대해서는 서울대, 한국기계연구원, 전북대 등에서 연구가 수행되었다.또한 관련 기술로서 탄소 나노튜브를 FED 용으로 사용하기 위해 정렬하거나 성장시켜서 패터닝 하는 기술에 대해서는 한양대(이철진 교수), 성균관대(이영희 교수) 등이 연구를 진행하고 있으며, 성장조건 및 기능화에 대한 연구를 수행중이다. 삼성종합기술원, 삼성 SDI 등에서는 스크린프린팅(Screen printing) 방법을 이용해 탄소 나노튜브를 대량으로 표면에 패터닝 하는 방법을 연구하고 있으며, 이는 54” FED 디스플레이를 제조하기 위한 제조 공정으로서 활용될 전망이다. 그러나 이 방법은 나노소재인 탄소 나노튜브를 수직으로 조립하는데 있어서 균일성이나 안정된 생산 공정을 확보하기에 매우 어려운 방법이다.이 분야의 기술들은 모두 대량 · 고속으로 넓은 면적에 나노소재를 조립하는 것을 지향하고 있으며, 경우에 따라 낱개로 조립되도록 하는 것과 일정한 면적에 패턴형태로 조립하는 기술로 분류될 수 있다. 또한 조립되는 모양에 따라 수직으로 조립하는 방법과 수평으로 조립하는 방법이 있으며, 각각은 서로 다른 응용 제품을 지향하고 있다.현재 이 분야의 연구 대상물로서 가장 큰 관심을 가지고 있는 것은 FED(Field Emission display)의 캐소드(Cathode) 전극과 백라이트 소스(Backlight source), 램프(Lamp), 비휘발성 메모리(Non-volatile memory) 등이며, 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.탄소 나노튜브를 이용한 메모리 분야의 최근 수평적인 구조 방법으로서 난텐도(Nantero Inc.)에서 제작하고 있는 탄소 나노튜브 메모리 소자와 삼성에서 연구하고 있는 수직형 구조의 메모리를 들 수 있으며, 이 연구의 핵심 분야로서 탄소 나노튜브를 넓은 면적에 정밀하게 조립하는 기술은 상업화를 위해 반드시 확보해야 할 기술로 주목받고 있다.1976년 필립스와 소니가 발표한 CD-DA(CD-Digital Audio)라는 기술을 기반으로 기존의 LP 판이나 테이프보다 깨끗한 음질을 들려주는 오디오매체인 CD는 1982년 레드북규격에 의해 상용 제품으로 처음 등장했다. CD는 서브마이크로 패턴의 사출 성형 기술을 적용한 대표적인 제품으로 음악 및 정보 저장의 측면에서 큰 변화를 가지고 왔다.이후 점차 고용량, 고화질화 되는 정보 저장 매체 시장에서의 요구로 이를 만족할 수 있는 DVD가 1990년대 중반에 출연하게 되었는데 이 저장 매체의 최소 표면 구조물의 크기는 대략 300nm 정도이며 매체 기판의 두께도 CD의 1.2mm에 비해 매우 얇은 0.6mm 정도여서 사출 성형으로 이를 생산하기 위해서 필연적으로 CD 생산의 경우보다 20~30℃ 정도 높은 금형 온도에서 이루어졌다. 이로 인해 성형성 및 패턴의 전사성은 개선이 되었으나 제품의 사출 후 변형 등의 문제가 발생하게 되어 이를 해결하기 위한 성형 기술 개발이 진행돼 왔다.HDTV 방송의 상용화 및 고화질의 영상에 대한 수요 증가 등으로 대용량의 정보 저장 매체 개발에 대한 요구가 지속적으로 이어졌고 이의 일환으로 소니, 필립스, 삼성, LG 등 13개 사가 제창하고 있는 블루레이 디스크나 도시바와 NEC가 제창하는 HD-DVD(Advanced Optical Disc, AOD) 등의 광 저장 장치 개발이 활발히 진행되고 있다. 이러한 광 저장 장치에서 필요로 하는 표면 구조물의 크기는 150nm 급으로 이들의 성형을 위해서는 더욱 높은 금형 온도가 필요 하게 되었고, 이로 인한 문제를 해결하기 위해 성형 공정의 최적화가 병행되었다. 이러한 과정을 통해서 연세대, KIMM, (주)JMI 등은 100nm 급 패턴 제품 생산을 위한 스탬퍼 제작 및 사출 성형 기술을 2004년에 개발했다.사출 성형 기술의 또 다른 큰 수요처인 디스플레이 부품 산업의 경우, 2001년 이후 전체 시장에서 LCD가 자치하는 시장 점유율이 엄청난 속도로 증가하고 있다. 이에 따른 기술 발전 개발 방향은 박형화, 경량화, 저전력화, 고휘도화, 고기능화 등이다. 이러한 기술 개발의 핵심 내용 중 하나는 도광판의 고기능화로 기존의 단순한 도광의 역할에서 빛의 분산 및 정렬 등 다양한 기능의 수행이 요구됨에 따라 표면에 다양한 패턴이 설계되기 시작 했으며 이를 사출 성형 기술로 한 번에 제작하고자 하는 노력이 이루어지고 있다. 현재 이러한 기능성 도광판에서의 패턴 크기는 대부분 10~100μm로, 이러한 크기의 패턴의 전사성을 높이기 위한 성형 기술의 개발이 상당 부분 진행되었다.그러나 근래에 들어 표면에 100~300nm 크기의 구조물이 형성된 도광판이나 무반사 도판(Anti-reflection plate), 자기 청정 표면(self-cleaning surface) 등과 같은 기능성 제품 개발에 대한 노력이 가시화 되면서 이러한 제품의 제작이 가능한 사출 성형 기술의 개발에도 관심을 기울이게 되었다. 대표적인 것으로는 금형을 적절히 가열/냉각하는 기술을 이용하여 나노스케일의 표면 구조물이 있는 넓은 면적의 제품을 성형하고자 하는 기술이 있는데, 국내에서는 연세대, (주)나다이노베이션 등에서 관련 기술을 개발한 바 있으며, 국외에서는 일본의 아사히 케미칼이나 미국 매사추세츠 대학의 킴(B. Kim) 교수 등이 관련 기술을 개발한 바 있으나 아직 양산에는 극히 제한적으로만 적용된 예가 있을 뿐이어서 해결해야 할 과제가 매우 많다고 할 수 있다.나노 임프린트 공정기술NIL 기술은 크게 열 타입 NIL과 UV 타입 NIL로 나눌 수가 있으며, 그 외에 다양한 시도들이 이루어지고 있다.Chou 교수 등은 1996년 열 타입 NIL을 제안한 이후 NIL 기술의 적용분야를 넓히고 실제 제품에 적용 가능하다는 것을 입증하기 위해 노력하고 있으며, 2001년에는 새로운 개념의 NIL 기법인 LADI(laser-assisted direct imprint)를 개발했다. 이 기법은 308nm 파장의 단일 20ns 엑시머 레이저(excimer laser)를 사용하여 실리콘 웨이퍼 또는 웨이퍼 위에 코팅된 레지스트를 순간적으로 녹여 임프린트 하는 방법이다.실리콘과 폴리실리콘(polysislicon)을 임프린트 한 경우는 10nm 이하 선폭 구현이 가능했으며 임프린트에 소요되는 시간은 250ns였다.또한, 유사한 방식으로 고분자에 적용한 LA-NIL(nanose- cond laser-assisted nanoimprint lithography)에서는 고분자 레지스트에 100nm 선폭과 90nm 깊이의 나노 구조물을 임프린트 했다고 보고했으며 2003년 ‘Nanoimprint and Nanoprint Technology(NNT)’ 컨퍼런스에서는 5nm 라인과 14nm 피치를 구현한 결과를 보여주었다.Chou 교수가 개발한 열 타입 NIL 기술은 다층화작업이 필수적인 반도체 디바이스 개발에 있어, 열 변형에 의해 다층정렬이 어렵다는 단점을 갖고 있다. 그리고 점도가 큰 레지스트를 임프린트 하기 위해서 고압(10~30bar 정도)이 필요하기 때문에 이 또한 이미 제작된 구조물의 파손을 일으킬 소지가 있고, 불투명한 스탬프는 다층화 정렬작업에 불리하게 작용한다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 텍사스 오스틴 대학의 스리니바산(Sreenivasan) 교수 등은 1999년, 스텝 앤 플래시 임프린트 리소그래피(step & flash imprint lithography, SFIL) 공정기술을 제안했다. 이 공정기술은 UV 경화소재를 사용하여 상온 저압으로 나노 구조물을 제작할 수 있는 기법으로, 자외선이 투과할 수 있는 재질(quartz, Pyrex glass 등)을 사용한다는 점이 특징이다.미국 MIT Media lab.의 제이콥슨(Jacobson) 교수 등은 2001년 기법을 제안했다. 이 공정기법에서는 실리콘 탄성중합체(silicone elastomer)와 같은 탄성재질의 스탬프를 사용하고, 엠보싱(embossing) 과정 즉 스탬프의 가압과 분리 과정을 거치는 동안 기판 위에 코팅된 소재는 액체 상태를 유지하게 되며, 이 액체상태의 소재는 엠보싱 과정이 끝난 후에 열이나 자외선에 의해 최종적으로 경화된다. 2004년에 쳉(Cheng) 등은 결합된 나노임프린트와 광 리소그래피(combined nanoimprint and photolithography, CNP)를 제안했는데 이는 투명한 스탬프 표면에 선택적으로 금속 층을 남겨 둠으로써 임프린트 후 노광과정을 거쳐 잔여층을 제거하거나 마이크로 크기의 패턴을 전사할 수 있는 기법이다.이어서, 유럽에서의 관련 연구동향을 살펴보도록 하겠다. 앞에서 언급한 바와 같이 UV-NIL 관련 연구는 1996년 네덜란드 필립스 연구소에서 최초로 발표된 바가 있고, 1998년에도 독일의 부퍼탈(Wuffertal) 대학의 쉐어(Scheer) 등이 2cm×2cm 면적의 스탬프를 사용한 열 타입 NIL에 대한 연구 결과를 발표했다. 그리고 2000년부터 스웨덴의 룬트(Lund) 대학, 스위스의 PSI, 독일의 부퍼탈 대학 등에서 다양한 연구결과들이 발표되기 시작한다. 룬트 대학의 헤이다리(Heidari) 등은 열 타입 NIL 기법을 사용하여 6in 웨이퍼에 대한 100nm 선폭의 나노 임프린트를 수행한 적이 있으며, PSI의 하이더만(Heydermann) 등과 부퍼탈 대학의 슐츠(Schulz) 등은 열 타입 NIL에서 고분자 레지스트의 흐름거동과 결함분석을 실험적으로 연구하여 발표한 바 있다.마이크로 레지스트 테크놀로지(Micro Resist Technology)의 파이퍼(Pfeiffer) 등은 NIL과 기존의 UV 리소그래피 기술을 혼합한 공정인 NIL-UV 공정기법을 제안했는데, UV 민감도가 크게 변하지 않는 온도까지 가열한 상태에서 나노 구조물이 필요한 위치에 나노 임프린트 수행한 후, UV를 조사하여 마이크로 크기의 구조물을 제작하게 된다.부퍼탈 대학과 마이크로 레지스트 테크놀로지, EV 그룹은 공동으로 EV 그룹의 가열 방식 시스템인 EV520HE를 사용한 4인치 웨이퍼에 대한 나노 임프린트 연구 결과를 EIPBN 2001과 SPIE’S Microlithography 2001에서 발표했다. 프랑스 CNRS Lebib 등은 기존의 열 타입 NIL이 고온(100~150℃), 고압(40~130bar)조건이 필요한 PMMA 등과 같은 레지스트를 사용하는데 반하여, 상대적으로 저압(5bar 정도), 저온(50℃ 정도)상태에서 임프린트할 수 있는 HS2550을 개발하고 200nm 직경의 점 배열과 200nm 선폭을 구현했다.유럽에서 UV-NIL에 대한 연구는 주로 벤더(Bender)와 오토(Otto) 등에 의하여 이루어졌으며, 2004년에는 4인치 웨이퍼 위에 수지를 대략 200nm 두께로 스핀코팅한 후 step & repeat 방식을 사용해서 임프린트 한 결과를 발표했다. 이 연구에서는 마이크로크기의 패턴이 각인된 1×1㎠ 스탬프를 사용했으며 4인치 웨이퍼에 대해 37번의 임프린트를 수행했으며 50nm 급 잔류두께를 얻었다.일본에서는 2000년부터 연구결과가 발표되기 시작했는데, 일본 동경과학대학의 타니구치(Taniguchi) 등은 다이아몬드 NIL을 제안했다. 이 기법의 특징은 기존의 열 타입 NIL에서 Si 스탬프 대신 다이아몬드 스탬프를 사용함으로써 스탬프의 내구성을 크게 향상시킨 점이다. 이 스탬프를 사용해서 PMMA를 임프린트 했을 뿐만 아니라 Al과 Cu 층을 상온에서 직접 임프린트 해 1μm 폭의 선을 성형했다. 이가쿠(Igaku) 등은 2002년 HSQ(hydrogen silsequioxane)를 레지스트로 사용한 상온 임프린트 기법을 제안했다. 이 기법에서는 HSQ를 스핀코팅한 후 50~100℃로 프리베이킹(prebaking)한 후 상온에서 1~40Mpa의 가압력으로 임프린트를 하게 된다. 2004년 히로시마(Hiroshima) 등은 UV 임프린트 공정과 같은 저압에서 발생하기 쉬운 기포들을 감소시키기 위해 저 증기압(23℃에서 0.1056Mpa) 기체를 레지스트와 스탬프 사이에 불어 넣는 방법을 사용했다. 이렇게 스탬프와 레지스트 사이에 채워진 저증기압 기체는 스탬프의 가입력에 의해 쉽게 액체 상태로 바뀌면서 부피가 1/200로 줄어들어 기포발생에 의한 결함을 최소화하게 된다.국내 연구로서, 서울대 이홍희 교수 등은 고분자의 프리 볼륨 축소(free volume contraction)와 소성변형만을 이용하여 상온에서 임프린트 할 수 있는 실내 온도 임프린트 리소그래피와 삼투압력 리소그래피(capillary force lithography) 기법을 제안했다. 이 기법에서는 탄성 재질인 PDMS(polydimethylsil- oxane) 스탬프를 제작하여 폴리스티렌(polystyrene)과 같은 고분자를 스핀코팅한 후 서로 접촉시키고, 유리 전이 온도 Tg 이상으로 올려 일정시간 유지하게 되면 미세구조물이 성형된다. 이 기법의 특징은 중력 이 외의 가압력이 전혀 요구되지 않는다는 점이나, 2004년도에는 2~3bar 정도의 압력을 추가로 부가한 실험결과들도 발표했다.KIMM에서는 2003년 대면적 EPS(elementwise patterned stamp)를 사용한 저 진공/대기환경에서의 UV-NIL 공정을 제안했다. EPS에는 패턴이 있는 요소들 간에 채널이 존재하여, 임프린트 시 요소영역에 있던 잔여 소재 및 공기가 요소영역 밖으로 밀려 나갈 수가 있다.따라서 대기압 및 저 진공 환경에서 대면적 스탬프를 사용할 시 발생하는 공기포획 결함을 방지하고 잔류층 두께 분포를 개선할 수 있으며, 스탬프 분리 또한 용이하게 된다. 저 진공환경 환경(~ -900mbar)에서 나노리터 액적들을 EPS 표면에 도포하여 1bar 정도의 가압력으로 4인치 웨이퍼 상에 50nm 나노 구조물의 패터닝에 성공했다. 또한, 대기환경에서 EPS를 사용한 UV-NIL을 구현하기 위해 웨이퍼 척에서 균일한 압력을 부가할 수 있는 공정기술을 개발했으며, 최근에는 8인치 크기이상 웨이퍼의 임프린트 공정을 위한 대면적 스탬프를 사용한 step & repeat 기법을 개발했다.이 외에도 국내 NIL 장비회사인 NND와 고려대 이헌 교수 등은 임프린트 후 잔여층을 최소화 및 균일화할 수 있는 공정기술을 제안했으며, ETRI와 LG전자기술원에서는 열 타입과 UV 타입 NIL공정을 사용한 광소자 및 부품 적용기술개발에 주력하고 있다.지금까지 개발된 NIL 장비로는 오스트리아 EVG 그룹의 EVG520HE와 EVG620-NIL, Chou 교수가 관여하는 Nanonex의 model 1000, 2000, 3000, 스웨덴의 Obducat 장비, Suss Microtec 장비, 스리니바산(Sreenivasan) 교수가 개발한 SFIL 공정을 장비화한 MI의 IMPRIO 50, 100 등이 있다. 또한 2003년에는 국내에도 NIL 장비회사인 NND가 설립되어 독자적으로 장비를 개발하여 판매하고 있다. 현재 국내 연구기관들에는 앞에서 언급한 NIL 장비들이 도입되어 다양한 연구가 이루어지고 있으며, KIMM에서는 NIL 장비기술 개발을 위한 연구도 활발히 진행되고 있다.최신기술동향나노소재 조립 및 패터닝 공정나노 크기(1~100nm)의 임계차원(Critical Dimension)을 가진 여러 물질(나노파티클, 바이오 분자, 나노와이어 등)을 원하는 형태의 구조물로 만들기 위해서는 조립 및 패터닝 하는 기술이 필요하다. 이는 궁극적으로 BottomUp 기술을 활용하여, 현실에서 필요한 디바이스를 제작하는 나노 제조 기술의 핵심 분야라 할 수 있다.나노소재를 원하는 위치에 원하는 수량만큼 원하는 형태로 부착할 수 있으면, 실험실과 공상 속에서 존재하는 많은 나노 제품을 현실화할 수 있게 된다. 예를 들어, 나노 분자를 이용한 나노 로봇이나 테라비트 급의 저장능력을 갖는 탄소 나노튜브와 같은 나노와이어를 이용한 비휘발성 메모리를 제작할 수도 있다.이 외에도 논리 디바이스(Logic device), 데이터 스토리지(Data storage), 분자 전자 소자(Molecular electronics), 가스 센서(Gas sensor), 바이오센서(Bio sensor), 메커니컬 센서(Mechanical sensor), 전계 방출 디스플레이(Field Emission Display), 램프, 백라이트, 원자 현미경 팁, 및 전자빔 소스 팁, 인터커넥션 와이어(interconnection wire), 나노 스레드(Nano thread), 고속 SPR 등과 같이 나노 전 분야에 걸쳐 큰 파급효과를 기대할 수 있다.따라서 나노 기술을 대량화하려는 상품화 기술의 개발은 최근 몇 년 사이에 급격히 늘어나고 있다. 나노 물질을 낱개로 조작하면서 넓은 면적에 대량으로 조립할 수 있는 기술을 개발하기 위해서 여러 가지 방법들이 시도되고 있다. 특히 탄소 나노튜브를 대상으로 하는 기술 개발이 많이 진행되고 있는데, 이는 탄소 나노튜브가 여러 제품에 응용하기 좋은 이상적인 특성을 많이 가지고 있기 때문이다.우선, 자기조립을 이용한 방법으로서 SPM(Scanning Probe Microscope) 안에서 다축의 구동기를 가지고 있는 머니퓰레이터(Manipulator)를 이용해 낱개의 나노물질을 조작하는 방법이 있다. 그러나 이러한 방법은 그 과정이 시간 소모적이고 고가의 장비가 필요하기 때문에 넓은 면적에 대량의 나노 물질을 조립하는 것은 불가능에 가깝다.다음으로 polar organic pattern을 형성해 탄소 나노튜브가 그 위에만 부착되도록 하는 방법이 있으며, 이 방법으로 100개의 사이트(Site)에 90%의 성공률로 제작했다(2003, Nature). 그러나 이 방법은 넓은 면적으로 갈수록 그 성공률을 확신하기 어려운 단점이 있으며, 결함(defect)이 전혀 없어야 되는 메모리나 논리 게이트(logic gate) 등에 적용되기 위해서는 많은 연구개발이 더 진행되어야 한다.또한 일렉트릭 가이드(electric guide) 방법으로서 유전체(dielectric)를 이용해 마찬가지로 100개의 전극 상에 89%의 성공률로 탄소 나노튜브를 부착하는 연구를 수행했다(Langmuir, 2004). 이 방법은 AC와 DC를 섞어서 탄소 나노튜브를 원하는 전극 상에 유도하여 부착하는 방법으로서 유전영동에 의해 불순물(Impurity)이 아닌 탄소 나노튜브만을 전극에 부착하는 방법이다.이 외에도 CVD(Chemical Vapor Deposition) 방법에 의해 탄소 나노튜브를 성장시켜 패터닝 하는 방법, 자성 물질을 이용한 갭 패터닝 방법(Advanced Material, 2004), LB(Langmuir Blodgett) 막을 이용해 패턴을 전사하는 방법(APL, 2003), 일반적 리소그래피 방법으로 화학적으로 변조된 패턴 표면상에 -COOH 기를 가진 나노튜브를 화학적 결합으로 부착한 뒤 이를 이용해 선이나 면을 패터닝 하는 방법(Chemical Com- munication, 2004)이 보고되기도 했다. 이와 같은 많은 연구자들이 이 분야에 대해 연구하고 있지만 재료가 가지는 원천적인 문제나 nm 수준의 직경을 가진 나노튜브나 나노소재가 가지는 크기의 한계 때문에 대량으로 나노 물질을 조립하는 것은 매우 어려운 일이다.DNA의 경우에는 이미 리소그래피 방법을 이용해서 A-G-T-C로 배열관계를 이용하거나 원자 현미경을 이용해 조작하는 방법을 사용한다. 현재로는 DNA를 부착하는 영역이 크기 때문에 응답속도가 늦고, 많은 샘플 양을 필요로 한다. 특히 광을 이용한 측정방법을 주로 사용하고 있는데, 측정하는 면적은 넓지만 최근의 연구동향은 고밀도의 패터닝을 통해 응답속도를 개선하고 라벨링(Labelling) 없이 신호를 검출할 수 있는 라벨 프리 검출(Label free detection)에 대한 연구가 진행되고 있다.난테로는 2003년에 탄소 나노튜브를 이용해 메모리를 구현하기 위한 대량 조립기술에 대해 발표했다. 이 기술은 그림 1과 같이 탄소 나노튜브 단층막(Monolayer film)을 이용하는 것으로서 이를 이용해 나노튜브 메모리를 구현했다. 그러나 이 기술로는 테라비트 수준의 메모리를 구현하기 어려우므로 보다 높은 저장밀도를 가진 메모리를 구현하기 위해서는 낱개의 탄소 나노튜브를 조립하는 기술이 반드시 필요하다.또한 FED의 경우에는 탄소 나노튜브를 수직으로 메탈 기판위에 세우는 것이 매우 중요하며 이를 위한 연구가 진행되고 있다.특히 CVD를 이용한 방법과 스크린 프린팅을 이용한 방법이 주를 이루고 있으며, CVD는 넓은 면적에 작업하기에 어려운 점이 많은 공정이라 삼성 SDI 등에서는 스크린 프린팅 방법을 이용하고 있다. FED는 향후 몇 년 안에 상용화될 가능성이 높은 품목으로 생산을 위한 공정기술 개발이 관건이라고 할 수 있다. 특히 상기에서 언급한 두 분야는 국가의 전략적 육성분야로서 국내의 산업에 큰 영향을 미칠 수 있는 영역이다. 국내에서도 국외와 마찬가지로 많은 연구가 진행되고 있으며, 양산에 근접한 기술 개발을 시도하고 있다. 특히 이 기술은 상용화를 위한 탄소 나노튜브조립 기술이 가장 핵심이 되는 분야이다.나노 사출성형 공정응용제품 개발나노 패턴 제작의 대표적인 기술인 전자빔 리소그래피 기술 및 이온빔(Ion beam) 기술 이외에, IPDS(Ion projection direct structure) 기술, IL(Interference lithograohy) 기술, 블록 공중합체 리소그래피 기술 등이 최근 보고 되고 있고, 이와 같은 나노 패터닝 기술을 통해 100nm 이하 급의 패턴 제작이 가능해졌다.나노 패터닝 공정 기술과 관련하여, 나노 임프린팅 방식을 이용한 수십 nm 대의 패턴 성형에 대한 연구가 활발히 진행되어 어느 정도 성과를 얻고 있다. 미국의 미네소타 대학의 NSL (Nano Structure Laboratory) 및 프린스턴 대학의 NSL (Nano Structure Laboratory)에서는 RIE와 리프트 오프를 추가한 나노 임프린팅 기술을 응용하여 수십 나노의 선폭을 구현했을 뿐만 아니라, 이를 산업에 응용하기 위하여 초고밀도 정보저장 매체인 패턴드 미디어 등에 접목시키려는 시도를 하고 있다. 스위스에 위치한 PSI(Paul Scherrer Institut)의 LMN(Laboratory for Microand Nanotechnology)에서는 가열 방식을 응용한 나노 패턴 제작 기술에 관한 연구가 진행 중에 있으며, 네덜란드의 필립스에서는 신개념의 초고밀도 정보저장장치를 구현하기 위한 나노 기술 개발에 박차를 가하고 있다. 일본에서는 SRC, ASET을 중심으로 자기정보 저장 매체에 관한 연구 개발을 수행하고 있으며, 200Gbpsi 급 고밀도 패턴드 미디어 제작을 위한 연구를 수행하고 있다. 이러한 연구들은 주로 나노 패터닝 및 나노 임프린팅 리소그래피 기반 기술을 응용한 것으로서, 나노 저장 매체의 양산 공정 적용 시 어려움이 있다 하겠다.시장분석 및 전망나노소재 조립 및 패터닝 기술차세대 메모리의 경우, 2010년을 기준으로 1조 6,000억, 분자소자의 경우에는 2조 2,000억, 탄소 나노튜브를 이용한 FED는 7,500억이 예상되며, 연료전지 등의 에너지환경 분야에서는 2조 5,000억~4조 원의 시장이 형성되리라 추측된다(나노테크놀로지-BottomUp 형 기술 중심에 관한 특허출원 기술동향 조사보고서, 2003).투명전극 시장은 2003년 현재 약 5조원 정도이며, 매년 약 50% 이상씩 성장을 하고 있음. 탄소 나노튜브를 통해 이를 대체할 수 있다(Smalltimes 기사, 2004).세계 원자 현미경 팁 시장은 현재 3,000억 원 정도로 매년 30% 이상의 성장을 보이고 있다(Veeco Co. 시장 조사 자료). FED, 백라이트, 램프를 포함한 디스플레이 시장은 현재 수십조 원이 넘을 정도로 규모가 큰 시장이며, 백라이트의 경우 휴대전화용으로 사용되는 것만도 국내 시장만 1조 원이 넘는 시장이다(국내 디스플레이기술동향 자료). NEMS 센서로서 전 세계 센서 시장은 2조 8천억 원 정도이다(일본 센서 기술동향 분석 자료, 2002).그 외에 바이오 분야의 센서 시장은 Label Free DNA detection sensor나 고속 SPR 장치 분야에서 시장의 참여가 가능할 것이다.나노 사출성형 공정광 저장 장치CD: 중국, 인도, 중동 시장의 성장세를 발판으로 2005년까지 지속적인 성장이 예상된다.DVD: DVD는 CD의 성장률의 2배의 속도로 2010년까지 성장 예상, HDTV의 녹화가 불가능한 DVD-R/RW의 시장은 불투명 =>킬러 애플리케이션 부재차세대 광 저장 장치(블루레이 디스크, HD-DVD): 소니, 필립스, 삼성, LG 등 13개 사가 주창하는 블루레이와 NEC, 도시바가 주창하는 HD-DVD로 시장의 양분화 현상이 예상된다. 디지털 위성 방송이 시작되고 이를 녹화 가능한 차세대 광 저장 장치는 2005년 상용화 예상. 상용화 이후 급격한 성장률을 보일 것으로 예상된다.디스플레이 BLULCD는 자체 발광을 할 수 있는 디스플레이 장치가 아니다. 그렇기 때문에 광원이 되는 BLU 또는 FLU라고 하는 발광해주는 부가적인 장치가 필요 하다. 현 디스플레이 시장은 브라운관을 사용하는 장치에서 박형, 경량화 장치인 LCD나 PDP, 유기 EL 등과 같은 평판 디스플레이 장치로 넘어가는 과도기적인 시점이다. 이에 따라 삼성, LG 등과 같은 국내 대기업들은 물론 국내외 중소기업도 LCD 사업 규모를 확장함은 물론 신규 사업 분야로서 진행하는 국내외 기업체들이 늘어가고 있는 추세이다.특히 LCD는 박형, 경량화라는 큰 장점을 가지고 있어, 휴대성, 저 전력화를 요하는 휴대이동장치들에 사용되는 표시장치로서 큰 주목을 받고 있는 제품이다. 아래 도표에서 볼 수 있듯이 2000년도 이후 휴대전화, PDA, 디지털카메라 등과 같은 소형 LCD 제품을 사용하는 휴대장비들의 판매량은 연간 10%이상의 시장 성장률을 나타내고 있어, 소형 LCD를 사용하는 장비들이 증가추세라면 분명 LCD 부품사업 역시 점진적으로 증가될 것이다. 이후 디스플레이 장치 기술이 발전하여 저렴한 가격으로 유기 EL, PDP 등과 같은 디스플레이 장치들이 개발되고 판매되기 전까지는 가격대 성능비가 우수한 LCD의 독주는 한동안 계속 될 것이다.나노 임프린트 공정세계 나노산업의 시장규모는 향후 10~15년 내에 1조 달러로 예측되고 있으며, 특히 나노 기술을 응용한 반도체시장은 3,000~4,000억 달러 규모의 시장을 형성할 것으로 기대되고 있다(National Science Foundation, NSF).세계 평판 디스플레이 시장은 2003년 427억 달러에서 연평균 17.3% 정도의 성장을 거듭하여 2008년에는 950억 달러에 이를 것으로 예상된다(Display Search, 2004 1Q).NEMS 응용소자이러한 많은 응용 타깃들의 개발 방향은 바이오 기술과 결합된 바이오칩 형태로 개발되고 있다. 바이오칩은 크게 DNA, 단백질, 세포 칩(cell chip) 등으로 분류된다.전 세계의 바이오칩 산업은 무한한 잠재력을 지니고 있는 분야로 이제 유아기에서 벗어나 성장기에 이르고 있으며, 주요 시장에 대한 개괄적인 윤곽이 드러났고, 여러 개의 연구 프로젝트가 진행 중에 있으며 개발된 제품들이 시장에 출시되고 있는 상황이다. 현재 바이오칩의 세계시장 규모는 5억 달러로 추정되고 있으며, 연 30%의 성장률을 보이고 있어, 2005년에는 33억 달러 이상으로 시장규모가 성장할 것으로 전망되고 있다. 현재 바이오칩 시장의 대부분은 DNA 칩이 차지하고 있으나, 점차 단백질 칩과 특히 최근 LOC 제품의 비중이 높아져, 2010년이면 이들 제품이 주종을 이룰 것으로 예상됨에 따라 LOC 기술 개발이 절대적으로 필요하다. 또한 현재 판매되고 있는 바이오칩은 연구개발용이 대부분으로, 진단용 바이오칩은 아직 상업화 초기 단계이다. 향후 5년 후에는 진단용 바이오칩 시장이 연구개발용 바이오칩 시장을 능가할 것으로 보인다.DNA 칩의 2002년도 시장은 다이아칩, 디지털지노믹스, 마크로젠, 바이오니아 등의 DNA 칩 전문업체가 연구개발 및 상용화를 추진해 약 500억 원대의 시장규모를 형성하고 있다.현재 바이오칩 관련기술은 2005년까지 DNA칩, 바이오센서 및 바이오 MEMS 기술이 융합되면서 작고, 저렴하면서 고출력 기능을 겸비한 시스템 개발과 관련시장의 비약적 발전이 예상되고 있다.나노 메모리 디바이스세계적으로 DRAM과 플래시(flash)는 2007년까지 지속적인 시장 확대가 가능할 것으로 예측되며, SRAM은 현재의 수준을 유지할 것으로 예상되고 있다. DRAM과 플래시 시장의 경우, 2007년에 전 세계적으로 250억 달러를 넘어 설 것으로 보인다.인쇄회로기판(PCB)인쇄회로기판의 세계시장 규모는 2002년 기준, 300억 달러/년 규모이며 2004년 기준으로는 400억 달러/년 이상으로 예상되고 있다. 이러한 세계시장 규모는 반도체의 시장과 비슷한 수준이며 시장의 성장률 또한 반도체 시장의 경우와 유사하다.사업의 국내 파급 효과국내에서 프론티어 사업으로 진행되고 있는 “나노메카트로닉스 기술개발사업”을 중심으로 최신 연구사업의 파급효과와 활용예상 분야를 보다 구체적으로 정리하면 다음과 같다.나노 사출 성형 기술은 현재 나노스케일 형상 구조물을 가지는 다양한 종류의 제품을 대량으로 빠르고 값싸게 생산할 수 있는 최적의 성형 공정으로서 기존의 금형 제작, 공정 최적화 및 원소재 기술 등을 기반으로 나노 사출에 필요한 핵심 공정 기술의 개발을 통해 나노 기술이 접목된 혁신 제품의 실용화 및 시장 형성을 크게 앞당길 수 있을 것으로 판단된다. 이를 통해서 2010년도에 6조 원 이상 규모의 시장이 형성될 것으로 예측되는 차세대 저장 매체 시장을 비롯하여 그 규모가 급속히 팽창하고 있는 고기능 디스플레이에 필수적인 차세대 도광판을 비롯한 기능성 표면 제품에서의 시장 선점 효과 및 경쟁력 확보에 크게 기여할 수 있다고 판단된다.나노 부품을 대량으로 조립하게 되면, 나노 기술이 적용되는 대부분의 분야에서 그 파급효과가 매우 크다고 할 수 있다. 나노소재의 조립 기술은 기능성 나노소재(탄소 나노튜브, 나노와이어 등)를 원하는 위치에 원하는 형태로 조립할 수 있는 기술로서 기능성 나노소재를 이용해 만들 수 있는 각종 디바이스의 원천기술이 될 것이다.현재까지는 나노 부품을 다루는 방법이 직접 손으로 하나씩 옮기는 방식을 써 왔지만 이를 대량으로 조립하게 되면, 원자 수준에서 성질이 조작된 물질들을 결합시켜 구조물을 만들 수 있으므로 그 활용분야는 무궁무진할 것이다. 특히 디스플레이, 센서, 메모리 등을 중심으로 산업분야에서 나노 기술을 적용한 신상품 및 신산업을 일으킬 수 있는 산업 동력원으로서 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.디스플레이의 경우에는 FED, 램프, 백라이트 등과 같은 분야에서 현재 상품화를 위한 연구가 진행되고 있으며, 이 상품화 기술들의 핵심 난제인 탄소 나노튜브나 나노와이어의 수직 조립기술은 각종 제품의 상용화를 앞당기는 핵심 공정기술이 될 것이다. 센서 측면에서는 메커니컬 센서(압력, 변형, 온도, 유량 등), 가스 센서, 바이오센서 등에서 연구가 진행되고 있으며, 마찬가지로 이를 상용화하기 위해서는 개별 나노소재의 제어 및 조립이 핵심 공정 기술이 됨. 따라서 이 공정을 개발하면, 향후 이 분야의 상용화를 앞당기는 결과를 가져올 것이다. 메모리, 논리 디바이스 등에서는 나노소재를 기존의 실리콘 패턴의 대체품으로 고려하고 있지만 이를 대량으로 정밀하게 조립하는 기술의 부재 때문에 어려움을 겪고 있다. 소재 조립 기술은 각종 바이오, 광, IT 소자들을 하나의 칩에 통합하는 연구 등에 활용될 수 있을 것이다.이 외에도 나노소재를 BottomUp 기술로 정밀하게 조립하는 기술은 원자 현미경 팁, X 선 튜브, 전자빔 소스, EMI 실딩(shielding), ESD(Electrostatic diffusion), Electric painting 등 많은 새로운 분야의 핵심 공정 기술로서 활용이 가능하다.또한 국방, 환경, 정보통신, 가전 뿐 아니라 사회 전 분야에 걸쳐 기존 나노 물질을 이용하는 대부분의 분야에 생산성 있는 기능성 나노소재의 활용 방법을 제공해 줄 것으로 보인다.세계적 경쟁력을 갖춘 NIL 연구 인프라를 구축하고 50nm 이하 선폭의 패터닝 기술을 개발함으로써 NEMS 응용분야, 차세대 메모리 디바이스 등의 중요 부품 제작용 공정기술의 확보가 가능하며, NEMS 응용분야의 중요부품, 나노 메모리 디바이스, 유기 디스플레이 소자 제작을 위한 50nm 이하 급 대면적 NIL 공정기술 확보가 가능하다..초정밀 미세선폭의 대면적 패터닝 기술의 개발로 플렉시블 디스플레이를 포함한 차세대 디스플레이용 패터닝에 적용이 가능하여 이 분야의 국제 경쟁력 제고가 가능하다.나노 임프린트 기술은 광 결정(Photonic Crystal) 구조나 격자(Grating) 구조 등을 형성할 수 있고, 이러한 구조들은 OLED와 LED와 같은 광소자에서 휘도를 증가시킬 수 있는 장점이 있다. DVD, CD, BD와 같은 광기록 저장 매체에 사용되는 광 픽업 소자에도 임프린트를 사용한 격자 형성에 응용될 수 있다. 도파관, 스플리터(splitter), 커플러, 스위치, Mux/DeMux 등을 하나의 유닛에 포함하는 나노 광 집적 모듈 제작을 통한 초고속/대용량의 광통신 구현이 가능하며, 나노 메모리 디바이스 생산용 NIL 공정기술을 확보함으로써 5~10년 후까지 메모리 분야의 세계 경쟁력 우위를 지속하는데 일조한다.
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