나노기술

2020. 09

나노기술

기술동향 보고서

제3기 국가나노기술지도 기반

기획･감수 문 희 성❘국가나노기술정책센터 정책기획팀장 이 율 희❘국가나노기술정책센터 정보분석팀 연구원 이 세 린❘국가나노기술정책센터 정책기획팀 인턴 김 준 현❘국가나노기술정책센터 정책기획팀 연구원 나 종 주❘국가나노기술정책센터 정보분석팀장 임 창 동❘국가나노기술정책센터장

개 요 6 대분야 나노기술동향

1. 배경 및 목적 ＿ 10 2. 추진 체계 ＿ 10 3. 추진 방법 ＿ 10

1. 나노소자

제1절 나노정보입출력소자

01. 고성능･고안정성 나노구동소자 설계 및 제작 기술 ¹⁷ 02. 소프트 나노소재 및 나노구동소자 기술 25

03. NEMS 설계 및 제조 기술 31

04. 나노터치 Input/Output 소자 기술 37

제2절 나노연산소자

05. 에너지 절감형 슈퍼 스팁 스위칭 미래

CMOS extension 반도체 소자 기술 43

06. Non-CMOS 반도체 소자 기술 49

제3절 나노기억소자

07. 실리콘 기반 나노 메모리 소자 55

08. 수직 3D 스토리지 61

09. 스토리지 클래스 메모리 67

10. 셀렉터 소자 기술 73

11. 유연 메모리 및 응용 기술 79

제4절 나노광전소자

12. 나노유연발광소자 85

13. 초고해상도 나노발광소자 91 14. 투명 나노 광전자소자 97

15. 나노수광소자 103

제5절 나노센서소자

16. 고성능 나노 센서 소재 및 소자 설계 109

17. 화학 센서 기술 115

18. 햅틱 센서 기술 121

19. 광 센서 및 이미지 센서 기술 127

2. 나노에너지･환경

제1절 나노융합 연료전지

21. 고분자전해질 연료전지 143 22. 고체산화물 연료전지 151

23. 직접탄소 연료전지 157

24. 바이오 연료전지 163

25. 수소생산 기술 169

제2절 나노융합 이차전지

26. 리튬이온 이차전지 175

27. 슈퍼커패시터 183

28. 금속공기전지 191

29. 극미소 전원용 하이브리드 전지 197 30. 전력 저장용 전지 203

제3절 나노융합 태양전지

31. 페로브스카이트 태양전지 209

32. 유기 태양전지 217

33. 염료감응 태양전지 223

34. 실리콘 태양전지 229

35. 화합물계 태양전지 235

36. 유･무기 하이브리드 적층형 태양전지 ²⁴¹

제4절 나노융합 에너지 하베스팅

37. 열전 발전/냉각 247

38. 압전하베스팅 253

39. 정전하베스팅 259

제5절 나노융합 에너지절약

40. 건물 일체형 태양전지 기술 267 41. 스마트 윈도우 기술 277 42. 실내 발전용 광전변환 전지 기술 283

43. 에너지 단열재 289

44. 산업 에너지절약 기술 295

제6절 나노융합 환경･수질

45. 나노기공 환경촉매 303

46. 나노 분리막 307

제7절 나노융합 환경･대기

47. 나노광촉매 313

48. 나노흡착제 321

49. 배출가스 처리 나노촉매 327

3. 나노바이오

제1절 나노 진단

50. 나노검지 기술 337

51. 나노바이오칩 기술 343

52. 나노바이오 전처리 및 자동화 기술 349 53. 나노 이미징 기술 357

제2절 나노 치료

54. 나노 약물 전달 기술 363 55. 나노구조체를 이용한 세포･조직공학 기술 ³⁶⁹ 56. 나노바이오 임플란트 기술 377

제3절 나노바이오 분석

57. 생체분자 나노분석 기술 383 58. 생체분자 나노제어 기술 389 59. 나노바이오 정보 기술 397

제4절 농수산식품

60. 나노기술 응용식품 제조 기술 403 61. 농수산식품 유해물질 현장 검출 기술 409 62. 농수산식품 관리 기술 (1) 415 농수산식품 관리 기술 (2) 421

제5절 생활용품

63. 고기능성 나노화장품 기술 429 64. 나노소재 생활용품 기술 435

4. 나노공정･측정･장비

제1절 나노박막기술

65. 나노증착 기술 443

제2절 나노구조체 제조 및 정렬기술

66. 나노패터닝 및 장비 기술 449 67. 나노구조체 집적화 및 장비 기술 455

제3절 나노 측정･분석기술

68. 나노 구조 분석 기술 461

69. SPM･광융합 나노측정 기술 ⁴⁶⁷

70. 나노물성 분석 기술 475

6. 나노안전성

제1절 근로자를 위한 안전한 제조 환경

84. 노출저감 기술 571

85. 작업자 보호 기술(나노 방진마스크 기술) 577 86. 건강 모니터링 기술 583 87. 인체 유해성 평가 기술 589

제2절 스마트 컨슈머를 위한 나노안전 정보망 88. 제품에서의 나노 이･탈락 ^DB 구축 및

기준안 제시 595

89. 나노제품의 안전보건자료 작성 601 90. 소비자 노출평가 및 정보망 구축 611

제3절 나노제품의 안전한 폐기

91. 나노제품 폐기현황 DB 구축 615

92. 환경 노출 평가 621

93. 나노물질 환경 모니터링 기술 627 94. 나노제품의 폐기시스템 개발 635

5. 나노소재

제1절 나노입자소재

71. 금속나노분말 483

72. 세라믹나노분말 491

73. 나노촉매 497

74. 양자점 505

제2절 저차원소재

75. 1차원 나노소재 511

76. 2차원 나노소재 517

77. 저차원 탄소나노소재 523

제3절 나노복합소재

78. 유･무기 하이브리드 나노소재 ⁵²⁹

79. 나노코팅소재 537

80. 나노기공소재 543

81. 고분자 나노복합소재 549

82. 탄소 나노복합소재 555

83. 3차원 계층소재 563

1 ^{배경 및 목적}

● 배경Ⅰ글로벌 팬데믹(Pandemic), 미중 무역전쟁 등에 따른 글로벌 산업 지형(GVC 등) 변화 조짐속에 한국은 소재･부품･장비 경쟁력 강화^, 한국판 뉴딜 정책 추진 등으로 주력산업 고도화 및 신산업 육성이 요구

● 목적Ⅰ차세대 주력산업 창출 등 혁신성장을 견인할 수 있는 나노기술에 대한 최근 기술 현황과 이슈를 점검하여, 대한민국 나노기술발전계획 및 투자 포트폴리오 전략 수립 등을 위한 자료로 활용

2 ^{추진 체계}

구 분 역 할

국가나노기술정책센터

◼ 기술동향 보고서 기획 및 출간

◼ ⁶대분야 97대 나노기술별 저자 섭외, 양식 배포 및 초고 검토

- 필진은 NTIS 분석을 토대로 해당 주제와 연관성이 높은 전문가를 선정 나노기술동향 전문가 필진 ◼ 해당 기술별 기술 정의 및 국내･외 동향^, 기술 이슈 등 초고 작성

3 ^{추진 방법}

● 분석 대상Ⅰ검토할 나노기술의 분류를 3기 국가나노기술지도의 사전적 상세지도¹⁾의 97대 핵심기술을 대상으로 기술동향 파악

● 분석 내용Ⅰ검토할 나노기술에 대해, 1. 기술 개요(기술 정의, 해당 하위 요소기술 내용, 해당 기술의 잠재 수요 분야 및 기대효과, 현재 해결해야 할 기술 이슈), 2. 국내･외 기술동향^{, 3.} 현재 국내의 기술 수준을 포함한 시사점 등으로 구성

[ 3기 국가나노기술지도] 나노기술 6대 분야 개요

● 나노기술의 발전에 따라 4대 분야에서 현재 6대 분야로 확장

- 제1기 나노기술종합발전계획 수립 시('01년) 21세기 프론티어 사업단을 중심으로 4대 분야*로 분류

* 나노소자, 나노바이오, 나노공정/장비, 나노소재

- 이후에 에너지 및 환경 이슈가 중요해짐에 따라 '10년부터 분야가 소재 자체를 다루는 나노소재 분야와 나노에너지･환경분야로 분화

- 나노안전이 국제적 이슈로 등장함에 따라 나노안전성 분야를 '10년부터 추가하여 6대 분야로 확대

* 제3기 나노기술종합발전계획 수립 시(’10) 부터 5대 분야로 확장

* 제2기 국가나노기술지도 수립 시(’14)부터 6대 분야로 확장

● 분석 절차Ⅰ국가나노기술정책센터에서, NTIS 기반 서지분석을 통해 97개 핵심나노기술(소분류)에 대해 전문가 집필진을 섭외 및 선정 초안 작성 의뢰 등을 진행하여, 최종 내용 감수 후 완결 -97개 기술 중 3개 기술²⁾은 MECE한 기술분류의 한계 등으로 필진 섭외에 애로사항이 있었기에,

본 보고서에서는 94개 기술(소분류) 기술동향을 작성

2) (4. 나노공정･측정･장비) 나노조성 제어기술, (6. 나노안전성) 노출평가 기술, 나노제품의 안전성 인증 추천 알고리즘 개발 및 인증시스템

1. 나노소자

15

2. 나노에너지･환경

¹⁴¹

3. 나노바이오

335

4. 나노공정･측정･장비

⁴⁴¹

5. 나노소재

481

6. 나노안전성

569

1. 나노소자

기술의 정의 및 목표

정의 나노미터 크기의 물질이나 구조가 갖는 독특한 성질과 현상을 이용하여 특정한 목적의 기능을 발휘하는 소자를 연구, 개발하는 과학기술

목표 개인이 휴대할 수 있는 인간 두뇌 수준의 인공지능 나노전자소자, 속도 무제한의 통신환경을 구현하는 초고속 나노통신소자 등 미래 IoT 기술의 경제적･기술적 구현을 위한 혁신적 나노소자 기술 개발

나노소자 - 기술분류체계도

나노소자

나노정보 입출력소자

01. 고성능･고안정성 나노구동소자 설계 및 제작 기술 02. 소프트 나노소재 및 나노구동소자 기술

03. NEMS 설계 및 제조 기술 04. 나노터치 Input/Output 소자 기술

나노연산소자 ^05. 에너지 절감형 슈퍼 스팁 스위칭 미래 CMOS extension 반도체 소자 기술 06. Non-CMOS 반도체 소자 기술

나노기억 소자

07. 실리콘 기반 나노 메모리 소자 08. 수직 3D 스토리지

09. 스토리지 클래스 메모리 10. 셀렉터 소자 기술 11. 유연 메모리 및 응용 기술

나노광전 소자

12. 나노유연발광소자 13. 초고해상도 나노발광소자 14. 투명 나노 광전자소자 15. 나노수광소자

나노센서 소자

16. 고성능 나노 센서 소재 및 소자 설계 17. 화학 센서 기술

18. 햅틱 센서 기술

19. 광 센서 및 이미지 센서 기술 20. Package 및 신뢰성 측정 기술

고성능 ･고안정성 나노구동소자 설계 및 제작 기술

박 진 성 (한양대학교 신소재공학부 교수, jsparklime@hanyang.ac.kr) 제1절 나노정보입출력소자 01

1 ^{기술 개요}

1.1. 기술 정의

● 나노미터 크기의 물질이나 구조가 갖는 독특한 성질과 현상을 이용한 반도성 또는 절연성 소재를 활용하여 전류의 흐름을 제어할 수 있는 안정적인 전자소자 설계 및 제작 기술

- 인공지능, 정보처리 및 디스플레이 분야에 가상현실(Virtual Reality, VR) 및 증강현실(Augmented Reality, AR) 등을 통해 현실과 디지털을 융합하기 위하여 높은 해상도와 낮은 소비전력 등을 갖는 나노 기반의 전자소자 연구가 활성화

- 나노소재 기반의 물성을 활용하여 사물인터넷용, 자율주행 자동차용 그리고 가상현실 디바이스용 나노 센서 등의 연구가 학계 및 연구계에서 활발히 진행

그림 1 고안정성 나노구동소자의 응용 예시

Memory-Logic 소자 VR/AR(Virtual/Augment Reality) 기능을 갖는 안경

1.2. 핵심 요소 기술 및 내용

● 증착형 반도체 나노소재

❘

현재 가장 일반적인 플라즈마 기상화학 증착법을 이용하여 저온

(350

도

)

실리콘 반도체와 레이저 어닐링 등을 통한 저온 폴리실리콘을 활용한 반도체 소재가 적용되고 있으며

,

향후

3

차원 적층을 통한 고이동도와 신뢰성을 갖는 유기

,

무기

, 2

차원 반도체 등의 나노반도체 소재와 신공정의 개발이 중요

- 저온 폴리실리콘(60~80cm²/V.sec)의 고생산비용과 대면적화에 대한 한계로 인하여 높은 이동도 ( 50cm²/V.sec)를 갖는 새로운 유기 또는 무기 기반의 반도체 소재(산화물, 탄소, 2차원 나노물질)와 원자층 증착법 등의 새로운 공정기법을 통한 안정적 물질 제조공정 기술이 필요³⁾

● 용액형 반도체 나노소재

❘

대면적 코팅을 기반으로 유기반도체

,

탄소기반 및

2

차원 소재를 균일하게 적층 하여 열을 가한 후 용매를 제거하고 물성을 확보하는 공정방식이 적용되고 있으며

,

향후 인쇄 또는 전사기반의 반도체 코팅 기술의 확보와 재현성 및 신뢰성을 갖는 반도체 소재

(Si

반도체 대비

)

와 미세 패턴 공정기법

(sub-

μ

m

급

)

개발이 중요⁴⁾

- 탄소 기반의 유기반도체 또는 카본나노튜브와 무기 기반의 페로브스카이트 구조를 갖는 용액형 반도체 나노소재 연구가 다수 진행 중

- 이동도는 ~10cm²/V.sec 이상이 보고되고 있지만, 안정적인 on/off ratio 확보와 전기적 신뢰성에 대한 연구 검증 그리고 소재의 안정성에 대한 연구가 중요한 이슈

● 게이트 절연체 소재/계면 형성 및 결함 제어 기술

❘

현재는

SiO

2와

SiN

x를 활용한 게이트 절연체 소재를 활용하여 반도체 계면을 제어하고

,

공정 온도에 따라 발생하는 결함량과 후속 열처리 등을 통한 결함 제어가 진행 중이며

,

향후에는

high-k

물질과 플라즈마 표면처리 또는 원자층 공정 등을 통한 결함 제어기술을 활용 하여 저온 기반에서 구동소자의 문턱전압과 게이트 스윙 등의 제어가 중요한 이슈

- 게이트 절연체 소재와 공정방법에 따라, 소재 내 음이온 전압의 결함과 수소양이 결정되어 이를 기반으로 한 원소와 구조 기반의 결함이 발생되므로, 플라즈마 표면제어 또는 원자층 계면제어 그리고 후속 에너지 처리 등을 이용한 게이트 절연체 소재의 결함 감소 기술이 중요 기술 이슈로 주목

- 또한 high-k 도입이 반도체를 넘어서 디스플레이 및 센서 응용분야로 확대될 것으로 예상되고 있어 결함이 적고 저온 공정이 가능한 원자층 증착법의 도입이 확대될 것으로 기대

● 저저항 나노전극/배선 형성 기술

❘

저저항

Cu

배선기술이 현재 주로 활용되고 있으나

,

응용에 따라 반도체 에서는

Mo

와

Ru

등의 신배선 물질의 도입연구와

Ag

또는

Cu

나노와이어 투명전극 등의 기술도입이 빠르게 확대될 것으로 예상되며

,

이를 위한 배선 형성 기술과 패터닝 기술에 대한

Wet/Dry etching

기술과 인쇄 기술이 병행되어 연구될 것으로 전망

3) 다수의 반도체 나노소재의 경우, 저온 및 대면적화에 대한 공정 기술로 플라즈마 증착기술과 원자층 증착법 등이 보고되고 있으며, 이를 활용한 탄소소재, 산화물, 2D 구조체 등의 재현성(조성/두께), 나노구조 제어 가능한 공정 기술 등이 연구 중

4) 인쇄공정을 위한 ink 소재 개발이 함께 연구 병행되어야 하고, 인쇄공정 기술을 위한 장비도 함께 개발이 필요하며, 코팅기반 진행시에 패터닝 등의 집적화 가능한 연구기술이 개발되어야 하지만 아직은 초보적인 수준이거나 연구개발 중이고, 하이브리드 유･무기 복합체 반도체 소재 개발 등도 연구 중

-Mo와 Ru 등의 나노배선소재( 20μohm/cm)는 원자층 증착법을 활용하여 적용될 것이며 3nm이하 패터닝을 목표로, EUV(Extremely Ultra-Violet) 등의 패턴 외에도 선택성장(Area Selective Depostion) 기법을 도입하는 연구가 진행 중

-Ag/Cu 나노와이어의 투명전극(90% 투과율,  10^-4ohm/cm) 도입기법 외에 소자 배선소재로 활용되기 위하여 고온안정성, 기계적 응력안정성 그리고 저항신뢰성 등을 응용제품(디스플레이, 센서)에 맞춰 연구중

● 고성능 트랜지스터 집적공정 기술

❘

현재는

photo-lithography

를 활용한 반도체 공정기법을 적용하고 있지만

,

향후에는 신규 나노물질의 패터닝 기술

,

컨택저항 감소기술

,

트랜지스터의 신구조 개발

,

그리고 인쇄기반의 다층 공정 기법과 집적공정화 기술 등이 중요 이슈가 될 것으로 예상

- 나노구동단위소자 평가 및 이를 활용한 Array 기술이 함께 연구되어야 하고, 이를 위하여 나노 패터닝 기술, 컨택저항 감소기술, 3차원 모노리틱(Monolithic) 구조, Vertical 트랜지스터 구조 등이 고려되어야 하는데, 이를 위해 최근에는 선택 박막 성장 기법과 원자층 에칭 등의 신공정 기법을 Array 수준에 적용하는 기법 등의 연구를 진행 중

- 인쇄공정기반은 적층구조 진행 시, 상부 용액에 하부 소재 영향을 최소화하는 공정기법 및 회복기술이 연구되어야 하며, 추후 나노공정을 위하여 현재 μm 수준의 기법에서 sub-μm 수준의 패터닝이 가능한 소재, 공정, 장비기술을 함께 연구 중

1.3. 잠재 수요 분야 및 기대효과

● 로직-메모리-센서

❘

전통의 반도체 소자는 단결정 웨이퍼 기술을 통한 미세화로 생산성과 수율을 높여 왔지만

,

미세화 구조 한계 및 공정

/

소재의 제약으로 인하여

3

차원 적층 기술

,

로직

-

메모리 일체형

, 3

차원 크로스 포인트 메모리 등의 밀도를 높이는 신구조와 소재 적용이 증대되고 있으며

,

나노구동소자에 대한 연구의 관심이 전 세계적으로 크게 증대하고 있는 수요분야로 주목

-2022년까지 지속 성장이 예상되며, 메모리 반도체, 시스템 반도체, 광 개별소자 모두 크게 성장될 것으로 전망

- 로직-메모리의 전통 반도체는 새로운 구동소자 구조에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 나노반도체 소재와 적층소자, 다치 레벨 구동소자 등의 새로운 소재와 구조 설계가 매우 중요한 핵심기술로 부각 - 이미지 센서는 사물인터넷과 모바일-자동차 기기의 활용이 급격히 늘어나면서 고화소( 1억 화소,

0.8μm 픽셀)와 저소비전력 등이 핵심기술 개발과 함께 지속적인 성장이 기대되고 있으며, 작년(142억 달러)보다 11% 성장(155억 달러)한 예상 매출이 기대

- 연간 20% 이상의 지속적인 다양한 이미지 센서 시장이 성장 중

● 초고해상도 실감 디스플레이

❘

중소형 모바일 및

TV

시장은 프리미엄 정책으로 인한 제품의 고급화와 가격 경쟁력이 중요해짐에 따라

,

인간이 실감할 수 있는 초고해상도

12K

이상 또는

3,000ppi

이상 급의 해상도를

갖춘 디스플레이 제품의 시장 도약이 빨라졌으며

,

이에 따라

VR/AR

제품

, (O)LED

를 활용한

(

투명

)

플렉서블 등의 제품이 가장 큰 수요분야로 주목

- 영국 디스플레이 시장조사업체 디지캐피털은 2021년 AR/VR 시장 규모가 1,080억 달러(약 126조 5천억 달러: VR 250억 달러, AR 830억 달러)로 성장할 것으로 예상

- 다만 현재의 기술은 걸음마 단계이지만 데이터 처리를 위한 빠른 구동소자와 메모리기술 그리고 이미지 센서 기술 등이 함께 연구개발 중

- 2019년 OLED 시장은 322억 달러 매출과 전년대비 13.8% 성장한 것으로 추정되며, 2023년 전 세계 OLED 생산은 2배 늘어날 것으로 예상⁵⁾

- 8K 수준의 TV 시대에서 12K 이상의 대면적 초고해상도 TV 시장이 프리미엄급을 차지할 것으로 예상하며, 이를 위해 현재 산화물 반도체 기반 소자의 성능 향상 및 신규 구조와 구동소자에 대한 연구개발을 진행

1.4. 해결해야 할 기술 이슈

● 고성능

-

신뢰성 이슈

- 구동소자의 성능은 이동도와 게이트 스윙 전압, on-off ratio의 스위칭 특성값을 기준으로, 신뢰성은 전압/전류/온도/광/습도/기계적 스트레스 등의 다양한 환경에서 문턱전압 및 이동도 등의 변화로 관찰 가능

- 구동소자 적용을 위한 이동도 및 신뢰성은 새로운 소재와 소자 적용 시에 반드시 평가되어야 하는 핵심 지표로써, 메모리, 로직, 디스플레이 등의 요구조건이 각기 다르기에, 이에 맞는 구동소자 설계 및 제작 검증이 필요⁶⁾

● 트랜지스터 신규 구조 이슈

- 최근 반도체 업계는 극미세화 방향과 함께 3차원 적층을 통한 소자의 집적화를 연구개발 중으로, Monolithic 3D(M3D) 기술은 박막 기반의 구동 트랜지스터를 실리콘 반도체 위에 적층하는 기술을 의미 - 또한 디스플레이 분야에서는 M3D 기술과 함께 반도체에서 사용된 수직 Transistor 구조를 박막 기반으로

적용하고자 하며, 이를 통해 초고해상도 구현을 위한 구동 트랜지스터 개발을 진행

- 신규 구조를 적용한 Array 개발에서 도포성, 후속 공정온도, 접촉저항 등의 다양한 이슈가 발생될 것으로 전망⁷⁾

5) 유비리서치, 2019년 OLED 연간보고서 (2019)

6) 이차원 반도체, 유기물 및 CNT 등의 탄소 반도체의 경우 대면적과 소자 이동도 성능 등에서 경쟁하는 Si박막 트랜지스터보다 특성이 낮은 형태이고, 단위소자 수준의 평가에서 신뢰성 평가 지표 등의 적용을 보여준 연구결과 등이 매우 부족한데, 산화물 반도체는 OLED TV 양산에 적용되고 있으나, 고이동도 (50cm²/V.sec)와 다성분 조성제어, 나노박막 제어 등이 현 공정으로는 어려우며 uni-polar(n형 반도체) 반도체로 인하여 p형 반도체 소재에 대한 연구 개발이 필요

7) 후속 공정온도에 따른 소자의 성능 저하 등에 대한 연구가 미비하고, 신규 트랜지스터 구조에 대한 접촉 저항 감소 기술과 3차원의 복잡한 구조에 나노수준의 균일하고 안정적인 원자층 증착법 등의 신규 공정 기술 연구가 부재하며, 이를 활용하여 Array 수준의 집적화 공정 기술에 대한 현재까지의 연구가 미흡한

표 1 주요 기술 및 이슈

구 분 세 부 내 용

증착형 반도체 나노소재

원자층 기반 산화물(n형, p형) 반도체 소재/공정 기술 대면적 2차원 반도체 소재 및 공정 기술

대면적 탄소기반 분자층 반도체 소재 및 공정 기술

용액형 반도체 나노소재

대면적 저차원 탄소기반 반도체 소재 제법 및 공정 기술 대면적 페로브스카이트 구조 반도체 소재 및 공정 기술 인쇄공정 가능한 용액기반 반도체성 나노소재 및 공정 기술

게이트 절연체 소재/계면 형성 및 결함제어

원자층 기반의 저결함 절연체 소재(고유전율, 저누설전류) 절연체 결함 제어용 나노소재 및 공정 기술

계면 제어를 활용한 구동소자의 문턱전압 및 게이트 스윙 전압 제어용 나노소재 및 공정 기술

저저항 나노전극/배선 ^Ru/Mo등의 나노 배선 소재의 선택 성장 및 에칭 기술

Ag 또는 Cu 나노와이어 등을 활용한 구동소자의 컨택 저항 저감 및 나노 패터닝 기술

고성능 트랜지스터 집적기술

수직형 박막 트랜지스터 소자 설계 및 구현 기술

3차원 적층형 고이동도/신뢰성 박막 트랜지스터 구현 기술 신규 구조를 적용한 Array 적용 검증 기술

2 ^{기술 동향}

2.1. 국내 동향

● 경희대학교

-hybrid halide perovskite field effect transistors(PEETs)를 이용하여 ambipolar transistor 구현을 성공하였고 동일 반도체를 이용하여 inverter 특성 등을 발현

- 평균 이동도가 약 2cm²/V.sec로 용액 및 인쇄기반을 고려한 신규 반도체로의 가능성이 제시⁸⁾

● 전자통신연구원

-ZnO 반도체를 이용한 수직 채널 TFT를 원자층 증착법을 활용하여 성공적으로 제작⁹⁾

- 채널 길이 0.5μm에 절연체를 20nm로 얇게 가져가서 구동에 성공하였으며, 이동도는 약 3.3cm²/V.sec로 보고

8) Adv. Mater., 1602940 (2016) 9) IEEE Elec. Dev. Lett, 360 (2014)

● 삼성종합기술원

- MoS2반도체를 이용하여 박막 트랜지스터를 성공적으로 제작하였고, 고이동도( 100cm²/V.sec)와 이상적인 게이트 스윙 전압(~70mV/dec.)을 발현하여 이차원 반도체 소재의 가능성을 열어줄 것으로 전망¹⁰⁾

2.2. 해외 동향

●

UC Berkeley

등

- Monolithic 3D 집적화를 2차원 반도체(MoS2와 WSe2)를 이용하여 적층형 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 소자를 구성¹¹⁾

- 사용된 반도체의 전자이동도는 38cm²/V.sec이고 홀이동도는 238cm²/V.sec였으며, Inverter, NAND, NOR 그리고 아날로그 회로 등을 만들어서 저소비전력과 고집적화를 갖는 트랜지스터 집적화 구조 및 설계를 구현

●

IBM,

미국

- 반도체성 CNT를 사용한 트랜지스터를 성공적으로 제작하고 특성을 구현¹²⁾

- 특히 85mV decade의 우수한 게이트 스윙 전압 특성을 보였으며, 0.5V 전압에서 0.9mA/μm의 전류 밀도를 구현 가능

- ALD 등의 절연체 등을 활용한 나노구동소자를 제작

●

SEL,

일본

& UMC,

대만

- 메모리 반도체에 3D 적층 구조 및 저소비전력을 위하여 산화물 반도체를 활용한 DOSRAM(Dynamic Oxide Semiconductor Random Access Memory)과 NOSRAM(Non-Volatile Oxide Semiconductor Random Access Memory) 적용을 발표¹³⁾

- 적용된 구동소자로는 InGaZnO TFT를 Si 웨이퍼 위에 적용하였고, InGaZnO 반도체가 가진 낮은 off-current로 인하여 초고밀도 메모리 반도체 개발의 가능성을 보여주었으며, 리프레쉬 시간을 시간당 7~8배 이상 감소시킬 수 있다는 연구를 보고

10) Nature Communication, 3 1011 (2012) 11) Adv. Mater., 28, 2547 (2016) 12) Science, 356, 1369 (2017)

13) [1] T. Onuki et al., “Embedded Memory and ARM Cortex-M0 Core Using 60-nm C-Axis Aligned Crystalline Indium-Gallium-Zinc Oxide FET Integrated with 65-nm Si CMOS”, IEEE Symp. VLSI Circuits Dig. Tech. Pap, 125 (2016)

[2] T. Matsuzaki et al., “A 128kb 4b/cell Nonvolatile Memory with Crystalline In-Ga-Zn Oxide FET Using VtCancel Write Method”, IEEE

3 ^{시사점(기술수준)}

● 현재 나노구동소자의 국내 기술수준은 약

70%

수준으로 평가

- 증착형(용액형) 반도체 소재 탐색 기술은 국내･외 비슷한 수준이나^, 이를 활용한 소자 구현 능력과 적용 시기를 살펴보면 IBM, Hoist Center, SEL, Sematech 등에 적용하고 있는 고집적/신뢰성 소자 연구가 2~3년 뒤쳐져 있는 것으로 판단

- 트랜지스터 Array 집적화 및 설계 기술은 일부 국내 대학(경희대학교)/연구소(ETRI)에서 진행되었으나, 일본/미국/유럽의 사례로 살펴볼 경우, 현재 M3D 기술이나 InGaZnO의 초고정세 메모리 응용, CNT TFT 등의 원천 기술 부분에서도 2~3년 정도의 격차가 존재

소프트 나노소재 및 나노구동소자 기술

김 세 현 (영남대학교 화학공학부 부교수, shkim97@yu.ac.kr) 제1절 나노정보입출력소자 02

1 ^{기술 개요}

1.1. 기술 정의

● 플렉시블 기판 위

IT,

디스플레이

,

바이오헬스 및 각종 센서를 제조

,

구동하기 위한 나노소재

/

공정

/

소자 기술 - 쉽게 구부리고 펼 수 있는 전자기기(디스플레이, 정보통신, 바이오헬스, 에너지 하베스팅 등)를 제조할

수 있는 고분자, 탄소소재, 2차원 소재, 무기소재, 유･무기 나노하이브리드 등 필름소재 및 저비용 대량 생산이 가능한 roll-to-roll 기술로, 플렉시블 전자기기의 투명성, 기계적 유연성, 내구성, 내열성을 확보할 수 있는 기술을 포함

- 각종 전자의 특성에 맞춘 나노 기판 barrier 소재 및 형성 기술로, 각종 가스(산소, 수분, 수소 등)의 투과를 막고, 전자소자의 접착력, 광학적/물리적/기계적 특성을 향상시킬 수 있는 기술을 포함

- 플렉시블 전자소자의 전극/배선을 위한 나노소재 및 이를 포토리소그래피를 적용하지 않고 수십 나노 미터에 이르는 전극/배선 패턴 형성 기술

- 고전도성, 고투과 및 기계적 유연성을 확보한 유기, 무기, 2차원 소재 및 유･무기 하이브리드 소재합성과 저온･속성 기반 roll-to-roll 인쇄 전극/배선 공정 기술을 포함

- 플렉시블 전자소자의 활성층을 구성하는 유연 반도체 및 절연층 나노소재 및 이를 포토리소그래피를 적용하지 않고 저비용 인쇄기술을 활용할 수 있는 용액공정 기술로, 고전하이동도, 고내환경성(산소, 수분, 광, 열 등) 및 기계적 유연성을 확보한 유기, 무기, 2차원 소재 및 유･무기 하이브리드 소재합성과 저온･속성 기반 roll-to-roll 인쇄공정 기술을 포함

1.2. 핵심 요소 기술 및 내용

● Bendable 기판소재 및 공정기술

❘

현재

IT

･디스플레이 산업을 중심으로 플렉시블 전자기기의 연구개발 및제품이 글로벌 마켓에 출시되고 있고

,

이에 각각 전자부품의 특성에 적합한 기판소재 및 공정기술이 필요하며

,

특히

OLED

디스플레이의 기판소재로 적용 중인

Colorless Polyimide(CPI)

의 일본 수입 대체를 위한 신규소재 및 관련 기술 개발이 필요

- 플렉시블 전자소자의 기판소재는(특히, 디스플레이 분야) TFT 성막공정에서 고내열성, 내화학성, 낮은 가스투과성이 요구

- 디스플레이를 위한 광학적 특성(고투과도)과 플렉시블 전자제품의 내구성을 위한 기계적 유연성 및 고강도/경도를 동시에 확보할 수 있는 신규 나노소재 기술과 이를 통해 저비용 대량생산화를 가능케 하는 roll-to-roll 공정 기술이 필요

● 나노 기판 barrier 기술

❘

현재

Barrier

소재 및 관련 기술은

OLED

및 차세대 플렉시블 전자소자에 외부에 서유입되는 수분

,

산소

,

수소와 같은 가스를 차단하여 내부소재의 산화를 막고

,

외부로부터 가해지는 기계･화학･물리적 충격으로부터 내부 소자를 보호하는 것이 중요

- 플렉시블 형태의 전자기기 변화는 기존 유리, 금속 소재를 이용한 barrier 방식에서, 인장/압축 응력에 변형이 없고, 가스투과성을 낮출 수 있는 나노 barrier 소재 개발이 필요

- 특히 플렉시블 전자제품에 적합한 barrier 기술로 Thin-film Passivation이 유력하나, 대면적 플렉시블 제품에 적용하기 위해서는 고 barrier특성을 지닌 용액 공정형 유기, 무기, 유･무기 나노하이브리드^, 2차원나노소재와 흠 없는(pin-hole free) 박막을 형성할 수 있는 인쇄공정이 필요

● 나노 유연전극/배선 형성 기술

❘

유연전극은 플렉시블

IT,

디스플레이 분야뿐만 아니라 태양광

,

열전

/

압전 등 에너지 소자

,

각종 센서 등에 적용이 가능한 기술로

,

기존 희토류 기반 희귀 금속류를 대체할 수 있는 고전도성

,

내환경성 및 기계적 유연성 및 내구성을 갖춘 신규 나노소재의 개발과 포토리소그래피 및 에칭공정을 대체할 수 있는 인쇄 배선 형성 기술을 개발

- 저가의 유기, 무기, 유･무기 나노하이브리드^{, 2}차원 소재 원천기술 개발과 저비용, 에너지 저감 및 환경 친화적 인쇄공정 및 고해상도 배선 패턴 형성 기술 개발도 필요

● 유연반도체/절연체 소재 및 공정 기술

❘

기존 반도체

, IT,

디스플레이에 적용되고 있는 실리콘계

,

산화물 박막과 동등한 전기적 특성을 갖추면서도 기계적 유연성

,

열적

/

화학적 안정성을 포함한 신규 유연 반도체와 기존

SiO

2

, Si

3

N

4

, Al

2

O

3 등의 진공증착용 무기절연층 박막의 절연특성과 기계적 유연성을 확보하는 신규 절연소재를 개발

- 특히 용액공정이 가능한 신규 유기/고분자 반도체, 2차원 소재, 와이어 및 프리커서 형태의 나노소재 및 이를 대면적화로 가능하면서도 높은 전기적 재현성이 가능한 공정 기술이 필요

1.3. 잠재 수요 분야 및 기대효과

● 플렉시블 디스플레이

❘

세계 디스플레이 시장규모는

2024

년까지

1,455

억 달러로 예상되며 이중 단가가 높은

OLED

의 비율은 점점 증가할 것으로 예상

- 특히 플렉시블 디스플레이 시장은 2019년부터 2025년까지 매년 5,000만 달러씩 증가하는, 가파른 성장이 예상

- 한국디스플레이산업협회에 따르면, 플렉시블 디스플레이의 활용도가 높은 스마트폰, 웨어러블 기기 등의발달로 9인치 이하 중소형 OLED 패널은 OLED 시장의 87.7%를 차지할 것으로 판단

- 플렉시블 디스플레이의 경우 기존의 디스플레이보다 높은 가격대(삼성 갤럭시 폴드 : 1,980 달러, 화웨이 Mate X : 2,600 달러)로 형성되어 있어서 높은 시장성을 지니며, 디스플레이 시장 점유율이 높아질 것으로예상

- 대면적/연속 공정을 통한 공정기술의 확보는 차세대 유연 디스플레이 시장을 선점하는 핵심적인 기술이 될 것으로 전망

● 스마트/웨어러블

❘

시장조사기관

IDC

에 따르면

,

세계 스마트

/

웨어러블 기기의 출하량은

2018

년

1

억

9,850

만 대에서

2023

년에는

2

억

7,900

만 대 수준으로 증가하고

, 2019

년부터

2023

년까지 연평균

8.9%

의 성장률을 보일 것으로 전망¹⁾

- 현재 손목형 밴드, 워치가 웨어러블 시장의 중심을 차지하고 있는데, 웨어러블 섬유/의류 등의 현재 시장 규모는 크지 않으나, 향후 가장 높은 성장률을 보일 것으로 전망

1.4. 해결해야 할 기술 이슈

● 수입대체 원천소재 개발

- 현재 플렉시블 전자용 나노소재의 연구개발이 활발히 진행되고 있으나, 원천소재･장비 제조 기술은 일본을비롯한 선진국에 의존

- 특히 CPI(Colorless Poly Imide)는 일본 소재 수출 규제 품목일 정도로 상용화 가능한 나노소재의 시급한 연구개발이 필요

- 또한 희토류 등의 국내 자원 부재로 인한 신규 반도체, 전도체 절연층 소재의 개발이 필요

● 내구성 및 재현성 이슈

- 플렉시블 전자제품은 기존 전자기기와 달리 사용자의 지속적인 인장/압축 응력을 받게 되므로 기기 내부 부품들이 외부 응력에 따른 내구성 및 내환경성의 확보는 물론, 신규 소재의 상용화를 위한 대면적 적용 및 성능의 재현성이 필수적

1) 정보통신정책연구원, 웨어러블 디바이스 시장현황과 전망, 제30권 제20호, 통권 제680호 (2018)

표 1 주요 기술 및 이슈

구 분 세 부 내 용

Bendable 기판소재 및 공정 기술

CPI 대체 신규 고분자 합성

고내열, 고유연, 고투명, 고경도 나노하이브리드 합성기술 저가스투과도 필름 소재 및 공정 기술

지속적 외부 응력에 따른 마이크로/나노 크랙 제어 기술 열 혹은 광에 대한 황변 없는 소재 개발

나노 기판 barrier 기술

10^-6g/(m²･^day) 수준의 수분투과도를 지닌 용액공정용 나노소재 합성 속성, 저온 경화가 가능한 barrier 소재 개발

흠 없는(Defect-free) barrier 용액코팅 공정 기술

나노 유연전극/배선 형성 기술

희토류 저감 및 대체 기술

고유연성 및 고전도도 및 내부식성을 갖는 나노소재 기술 대면적 고해상도 인쇄공정 기술

유연반도체/절연체 소재 및 공정 기술

기존 실리콘/산화물 반도체 성능 수준의 용액공정용 반도체 합성기술

기존 SiO2, Si3N4, Al2O3의 수준의 절연체 특성을 갖는 용액공정용 절연층 소재 기술 대면적 고해상도 인쇄공정 기술

2 ^{기술 동향}

2.1. 국내 동향

● 삼성전자

- 세계 최초로 2019년 2월 인폴딩 방식의 폴더블 스마트폰인 갤럭시 폴드를 출시하였으며, 9월부터 본격적인 판매를 개시

- 기판으로 폴리이미드를 적용하였으며, barrier층 역시 유연한 thin-film passivation을 적용하여 약 2만 회 정도의 내구성을 확보

● 포항공과대학교

- 조문호 교수팀은 차세대 유연소자에 적용 가능한 원자층 2차원 반도체(MoTe2)에 레이저 빛(파장 : 532 nm)을 조사하여 p 도핑 기술을 개발하고, 2차원 단일 반도체 집적회로를 구현²⁾

- 특히 빛 세기/조사시간에 따라 정공 농도를 제어 반도체 소자의 전기전도도를 최대 10만 배까지 상승

● 고려대학교

- 주병권 교수팀은 ITO 전극을 대체하기 위한 유연투명전극으로 은나노파이버 전극을 개발³⁾

2) Nature Electronics, 1, 512-517 (2018)

- 전기방사공정을 이용하여 간편하게 수 cm의 긴 은 나노파이버를 형성하여 기존 은 나노와이어보다 적은 양으로도 네트워크를 형성하여 플렉시블 OLED에 적합한 높은 전도도 및 투명성을 확보

2.2. 해외 동향

●

HUAWEI,

중국

- 삼성에 이어 2019년 11월 폴더블폰 “메이트 X”를 출시하였으며, 삼성 갤럭시 폴드와 달리 아웃폴드 방식을채택

●

Stanford University,

미국

-Bao 교수팀은 전자피부에 적용 가능한 스트레쳐블 반도체 고분자 필름 제조 기술을 개발하였으며, 이는 100% 스트레인 인가에도 초기 성능을 유지할 수 있고, roll-to-roll 방식으로 제조할 수 있는 기술을 의미⁴⁾

● 도쿄대학교

,

일본

-Someya 교수팀은 초기 전도도가 738 S/cm이고, 215% 변형으로 신장되었을 때 182 S/cm의 높은 전도도를 보이는 유연전자소자용 고전도성 유기잉크를 보고⁵⁾

- 이 잉크는 Ag 플레이크를 기반으로 개발되었으며 110%까지 전도성이 일정하게 유지되는 특징을 보유

3 ^{시사점(기술수준)}

● 현재 소프트 나노소재 및 나노구동소자 기술의 국내 기술수준은 약

80%

수준으로 평가

- 현재 소프트 나노소재는 주로 일본을 중심으로 선진국에서 보유하고 있으며, 특히 전자재료용 고분자 소재의 원료인 고분자 단량체의 경우 거의 일본으로부터 수입하고 있는 실정

-CPI의 경우, 국내 기업인 코오롱, SK 기업에서 사업화를 추진하고 있으나, 국내 산･학･연 협력을 통해 일본산 제품과 동등한 품질의 소재 개발이 절실히 필요

-OLED, 플렉시블 전자기기의 경우 현재 국내 기술이 세계시장을 선도하고 있으나, 여전히 중국 기술도전이 위협하고 있는 상황이고, 소재･부품･장비에 있어서도 일본의 의존도를 낮출 수 있는 방안 모색이 필요

4) Nature Mater., 18, 594-601 (2019) 5) Nature Comm., 6, 7461 (2015)

NEMS 설계 및 제조 기술

박 우 태 (서울과학기술대학교 기계･자동차공학과 부교수, wtpark@seoultech.ac.kr) 제1절 나노정보입출력소자 03

1 ^{기술 개요}

1.1. 기술 정의

●

NEMS(Nano Electro Mechanical Systems)

는 기존에 정의된

MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)

의 연장선으로 나노스케일

(



100 nm)

의 구조를 포함하는 시스템

- 나노 및 마이크로 스케일의 구조로부터 움직임을 가지며, 유용한 전기적인 신호를 발생시키는 소자 또는 시스템을 의미

- 기계적인 구조물로 움직인다는 점과 전기적인 신호를 발생시켜서 전기적 부품 또는 모듈 역할을 한다는 점이 다른 나노기술과의 차별점

- 나노구조물을 제조하는 데에는 반도체 공정인 리소그래피와 에칭을 이용해서 재료를 깎아 내는 Top down 방식과, CVD(Chemical Vapor Deposition) 공정과 같은 합성방식으로 쌓아 올리는 Bottom up 방식이 존재

- 전기적 소자, 모듈, 또는 시스템을 설계하고 제작하려면 구조에 대한 정확한 제어가 필요하기 때문에, 화학적으로 나노구조를 합성하는 Bottom up 방식으로만은 제작이 불가능

- 따라서 Top down 방식으로 기본적인 전기적 연결의 배열이나 패키징을 제작하고, 거기에다 나노구조의 고감도, 고주파수 등의 장점을 융합하여 시스템을 제작하는 것이 개발 방향이나, 나노구조 제작 시 Bottom up 방식의 미사용도 가능

- 사용되는 설계 소프트웨어나 제작 인프라는 대부분 기존 MEMS의 설계 및 제조방식을 사용하고, 특별히 나노구조를 제작하기 위한 부분을 첨가

그림 1 NEMS 의 예¹⁾

캘리포니아 공과대학교의 Roukes 그룹의 나노공진기 IBM 취리히 연구소의 AFM 저장장치인 Millipede

1.2. 핵심 요소 기술 및 내용

● 설계 기술

- 기존 반도체 또는 MEMS 산업에서 사용하고 있는 EDA(Electronic Design Automation) 도구들을 사용하여 도면을 그리고, 개발된 해석모듈들을 이용하여 시뮬레이션을 하여 검증

● 리소그래피 기술

- Top-down 방식으로 나노구조물을 제조하기 위해서는 나노 리소그래피 기술이 필요한데, 전자빔을 이용한 e-beam 리소그래피나 EUV와 같은 포토리소그래피 공정이 요구

●

CVD : Chemical Vapor Deposition

기술

- 나노튜브, 그래핀, 나노와이어 등의 나노구조물은 CVD 기술을 이용하여 합성이 가능

- NEMS 관점에서 중요한 기술요소는 원하는 장소, 원하는 방향, 원하는 밀도로 합성하는 것이며, 이를 위하여 전기장/자기장 등의 외부환경을 제어하는 것이 핵심

● 프린팅 기술

- 대면적 나노구조물을 찍어낼 수 있는 나노임프린팅 기술이나 시간이 소요되나 매우 유연한 공정을 실현할 수 있는 나노액정 프린팅 기술도 나노 리소그래피 기술을 보조하는 수단이나, 고분자 또는 기타 화합물들을 직접 도포할 수 있는 기술

● 대량생산 기술

- NEMS 소자는 MEMS 소자와 같이 고성능의 소자를 신뢰성 있게 대량으로 대면적에 제작하는 것이 최종 목표이므로, 최소 8인치 이상의 웨이퍼를 사용하고 대량생산 능력이 있는 IDM이나 Foundry에서생산이 가능 해야 함이 중요

1.3. 잠재 수요 분야 및 기대효과

●

NEMS

스위치 기술

- 나노구조를 이용한 전자소자로서 NEMS 스위치는 나노튜브를 이용한 트랜지스터와는 다르게, 움직이는 스위칭 외팔보나 빔을 통하여 작은 전압으로도 완벽한 온오프 상태를 구현함으로서 누설 전류를 완전히 차단하고 작은 전류로 구동되는 장치로 많은 관심과 연구가 진행

- 나노구조물의 규칙적이고 일관적인 제조 외에도 물리적인 contact에 따른 신뢰성 문제들이 많이 발견 되면서 이에 대한 극복방안들도 연구되어 왔으며, 문제점을 해결할 수 있는 기술이 완성되면 기존 logic 회로의 누설전력 차단이 가능하기에 잠재 수요 분야 중 경제효과가 가장 클 것으로 기대

● 나노

resonator

센서 기술

-Capacitive 소자로서 resonator는 높은 민감도로 바이오센서나 화학 센서로 각광을 받고 있으며, 기존 MEMS 센서보다 향상된, 양자역학의 한계까지 도달할 수 있는 민감도의 센서로 소개

- 이러한 기본적인 센서 기술에서부터 대량의 센서들을 병렬로 제작하여 정확한 질량 분석기나 한 번에 다양한 진단을 내릴 수 있는 바이오센싱 플랫폼이 개발

● 나노

stress

센서 기술

-1950년대에 발표된 실리콘의 압저항 현상(piezoresistance) 이후 압저항 기술은 발전하였으며, 정밀 압력센서 등 다양하게 개발 중

-2000년대의 나노기술의 도래로 나노구조물의 압저항 현상이 꾸준히 연구되어 왔으며, 기존 센서보다 월등한 민감도 측정 가능

- 문제는 센서의 반복성과 신뢰도인데, 높은 신뢰도를 가지면서 기존 센서보다 월등한 기술은 미발견

● 나노저장장치 기술

- 나노기술을 시작한 기술 중 하나인 AFM(Atomic Force Microscopy)을 이용하여 새로운 메모리 소자를 개발하고자 노력

- 현재 하드디스크 기술의 발달로 정체되어 있지만 향후 대두될 것으로 전망

1.4. 해결해야 할 기술 이슈

● 나노구조와 마이크로구조의 융합

- 기존 MEMS에서 사용하였던 마이크로 공정을 통하여 마이크로 구조를 제작하고 그 위에 나노구조물을 원하는 곳에, 원하는 방향으로, 원하는 양만큼 제작하여야 하는데, 이 세 가지 모두 제어가 제한적이거나 불가능

● 나노리소그래피

- 포토리소그래피 같은 경우, 빛을 이용하여 패터닝을 하는 것이기 때문에 나노 사이즈를 패터닝하기 위해서는 EUV나 E-beam 리소그래피 같은 고가의 공정을 사용하거나, 산화-에칭과 같은 반복성과 신뢰성이 부족한 공정을 사용하여야 하는 실정

● 나노구조의 신뢰성

- 구조는 나노스케일로 작아지면서 양자적인 또는 분자적인 힘의 영향을 받는데, 예를 들면 반데르발스 힘 (분자간의 인력)의 영향 때문에 나노 구조물이 갖는 복원력이 약해서 구조가 한 번 접촉하면 안 떨어지는 Stiction 현상이 발생

표 1 주요 기술 및 이슈

구 분 세 부 내 용

NEMS 설계기술 기존 MEMS 및 반도체 산업 EDA 도구 사용이 가능

나노구조물의 해석을 위해서는 새로운 현상 모사를 위한 개발이 필요

리소그래피 기술

전자빔 리소그래피 기술은 병렬 조사가 가능한 기술 필요

EUV와 같은 리소그래피 기술도 사용이 가능하지만, 고가 UV 레이저를 사용하는 기존 리소그래피도 수백 나노 크기 가능

나노구조물 CVD 기술 기존 나노구조물(나노튜브, 와아어, 그래핀 등)을 CVD를 이용하여 합성도 중요하지만, 특정 장소, 방향, 밀도를 제어하는 것이 중요

프린팅 기술 리소그래피를 보조하는 수단으로 나노 액정 잉크 프린팅이나 나노 임프린팅 기술 사용이 가능 대량생산 기술 대량으로 제작하기 위해 기존 Foundry에서 8인치 이상 대면적 제작이 가능해야 하는 것이 중요

2 ^{기술 동향}

2.1. 국내 동향

● 연세대학교

/ KAIST

- 기존 MEMS 스위치의 한계점인 접촉면의 마모와 접촉저항의 한계점을 금으로 된 전극에 CNT를 융합 시킴으로써 기존 스위치의 작동사이클보다 1.9×10⁴ 만큼 향상²⁾

2.2. 해외 동향

●

CEA LETI,

프랑스

/ Caltech,

미국

- 나노 센서와 작동회로인 CMOS가 융합된 회로를 8인치 웨이퍼에 구현 - 나노 외팔보 센서를 제조한 리소그래피가 전자빔 리소그래피임을 확인

●

IME ASTAR,

싱가폴

- 차세대 CMOS 회로의 게이트에도 사용될 GAA(Gate All Around) 채널을 통하여 나노와이어 게이트 트렌지스터 센서를 개발³⁾

3 ^{시사점(기술수준)}

● 현재

NEMS

설계 및 제조기술의 국내 기술수준은 약

80%

수준으로 평가

- 삼성과 SK하이닉스와 같은 대규모 반도체 회사들은 이미 10nm 이하의 리소그래피를 대량생산에 적용 할 수 있는 기술력을 구비

- 따라서 Top down 방식의 나노구조와 마이크로 구조의 융합 시스템 대량생산은 매우 높은 수준이나, 이와같은 제조기술이 NEMS 소자의 구현에는 사용된 사례가 없어서 100% 확신이 불가능

- 나노구조물 CVD나 나노 임프린팅 단위 공정들도 한국기계연구원 등 여러 기관에서 개발되어 Bottom up 나노구조물 제조에도 충분한 기술력을 보유

- 경제적으로 가장 큰 효과를 볼 수 있는 나노스위치의 경우, 아직 물리적인 한계점을 극복한 수준의 스위치 설계 및 공정이 세계적으로도 개발되지 않아서 현재 수요가 없는 상황

3) IEEE Electron Device Letters, 33(12), 1759-1761 (2012)

나노터치 Input/Output 소자 기술

남 수 용 (부경대학교 인쇄정보공학과 교수, suynam@pknu.ac.kr) 제1절 나노정보입출력소자 04

1 ^{기술 개요}

1.1. 기술 정의

● 터치스크린패널

(Touch Screen Panel, TSP)

은 스크린에 사용자가 손가락이나 펜 등을 이용하여 화면을 누르면 접촉된 위치를 인지하여 시스템에 전달하는 입력장치로서 스마트폰의 보급에 힘입어 널리 확대되고 있는 기술

-TSP는 터치센서, 컨트롤러 IC 및 MUC로 구성되는 H/W와 드라이버 S/W로 구성되며, 터치스크린패널은 LCD와 같은 평판디스플레이 표면에 부착되는 형태로 구성되거나 디스플레이의 커버글라스에 제작 가능 -TSP 구성요소 중에서 터치센서는 ITO(Indium Tin Oxide), 은 메탈메쉬, 은 나노와이어 등의 투명전극

재료를 사용하여 필름 또는 유리 기판 위에 X축, Y축 전극을 형성하여 위치를 구분할 수 있는 소자 - 개발이 진행 중인 터치스크린패널에서의 핵심나노기술에 대해서 소재적인 측면에서는 고투명･

Bendable･^Wearable 터치가 가능한 디바이스 제조기술이 요구 그림 1 터치스크린패널의 기본 구조¹⁾

1) 산업통상자원부, 산업기술혁신개발사업 기술개발 보고서 (2019.02)

1.2. 핵심 요소 기술 및 내용

● 현재 투명전극 소재 기술

❘

가장 많이 사용되고 있는 투명전극 소재는

ITO

로

,

투과율은 상당히 우수하지만 일본의 한 개 업체가 독점적이므로 고가이고

,

연성이 약하기 때문에

Bendable

이나

Wearable

그리고 높은 저항으로 말미암아 대형 터치 디스플레이에는 적용이 불가능하다는 것이 문제

- 투명전극으로 ITO은 높은 사양이 요구되는 모바일 기기에 주로 적용되고 있었으나 TSP의 사이즈가 휴대폰에서 태블릿PC, 노트북, 모니터로 대형화되면서, ITO의 높은 저항값이 이슈가 되었고 ITO 필름을 대체할 대체재의 필요성이 대두

- 시장의 요구는 터치 어플리케이션의 대형화와 ITO의 사용에 따른 희토류 인듐의 수급 문제 그리고 보다 플렉시블을 가능하게 하는 소재가 요구

● 메탈메쉬 및 은 나노와이어 기술

❘

대형 터치패널용 투명전극으로써 상용화에 가장 근접해있는 것이 메탈 메쉬 및 은 나노와이어 기술로

,

메탈메쉬는 모아레의 현상을 방지하기 위해서 다음과 같이 다양한 형태로 개발 중

그림 2

정방형 무작위형 융합형

그림 3 12인치 메탈메쉬의 베젤전극과 센서전극의 SEM형상

그림 4 50nm 은, 나노 은이 충전된 베젤전극, 2.5㎛ 및 800nm 센서전극 SEM형상

1.3. 잠재 수요 분야 및 기대효과

● 터치패널용 투명전극

❘

국내 투명전극 시장은

2020

년에

826.9

백만 달러로

, 10

년 전에 비해서 성장세가 많이 줄었지만 향후에도 대형 터치패널 중심으로 그 수요가 증가될 것으로 판단

- 터치패널이 주로 응용되는 분야는 2013년 모바일 폰, 태블릿 PC, 노트북 PC, AIO PC, 모니터였지만, 2014년에는 자동차용, 스마트 와치와 같은 착용형 스마트 기기(Wearable Smart Devices), 광고, 3D 곡면 등의 분야로 터치 채용이 확대

- 터치패널 소재별 시장전망을 살펴보면, 플렉시블 디스플레이의 시장 진출에 따라 터치패널도 새로운 소재의 필요성이 대두되고 있으며 은 메탈메쉬, 은 나노와이어 등 금속 전도체가 우세

- 일반 전자 디스플레이와 비교하면 터치센서는 제조원가 측면에서 투명전극이 차지하는 비율이 높아 ITO 대체 신소재가 진입하기에 적합한 시장으로 파악

-ITO 소재를 대체하기 위해서는 저가의 생산기술로 ITO와 동일한 전기적, 광학적 특성을 충족해야 하며, 터치 및 디스플레이의 메이저 기업들과 전략적인 협업이 필요

표 1 터치패널에 적용된 투명전극 시장 전망²⁾

(단위 : 백만 달러)

Material 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020

ITO 182.6 287.6 371.2 424.8 478.7 535.2 588.5 652.8 713.6

In-free Oxide 1.3 3.0 5.4 7.7 9.8 11.6 14.4 18.4 23.2

전도성 고분자 0.4 1.5 2.7 4.5 6.2 8.7 11.8 14.7 23.2

CNT 1.1 2.4 3.9 5.0 7.7 9.9 13.1 16.2 22.3

Graphene 0.2 0.3 1.6 3.2 3.6 5.8 9.8 12.5 15.7

Metal Conductor 0.7 2.4 3.9 6.8 8.8 11.1 16.3 21.3 28.9

Total 186.3 297.2 388.7 452 514.8 582.3 653.9 735.9 826.9

- 정보통신기술(ICT), 사물인터넷(IoT), 빅데이터, 증강현실(가상현실) 등의 첨단 통신기술과 이를 사람과 직관적으로 연결하는 지능형 입력장치로서 터치스크린 패널 기술은, 미래 IT융합 산업의 성장을 견인할 핵심기술 중 하나

- 이러한 지능형 입력장치인 터치스크린 패널은 디스플레이 방식 변화의 대응에서부터 인간 감성의 전달에 이르기까지 전후방 연관 산업과의 연계를 통해 시너지 창출이 기대되는 중요한 산업 분야이자 파급효과가 큰 산업

2) DisplayBank, 투명전극 기술 및 시장전망 (2014)

그림 5 터치패널 융합산업의 기술 로드맵, ICT

1.4. 해결해야 할 기술 이슈

● 생산수율

- 대형 터치패널용 투명전극은 대부분이 은 메탈메쉬를 이용한 것이며, 패턴의 크기는 약 8~9㎛ 수준 - 따라서 대형 자판기와 같은 제품에는 문제없이 적용 가능하지만, 디스플레이용으로는 적용이 불가능 - 전자 디스플레이에 적용하려면 메쉬 패턴이 사람의 눈에 보이지 않도록 패턴 1㎛ 이하가 반드시 필요하며,

나노 스케일 패턴이 가장 최적

- 현재 2~3㎛도 생산수율이 현저하게 떨어지기 때문에 생산수율을 증가시키는 것이 가장 시급한 문제이고, 가능하면 1㎛ 이하의 패턴에 흑색 나노 은 페이스트로 시인성을 개선하는 것이 해결해야 할 가장 큰 이슈

2 ^{기술 동향}

2.1. 국내 ･외 동향

● 투명전극은 터치패널의 원가에서

25%

를 차지할 만큼 비중이 큰 소재이며

,

세계 시장도

4~5

조 원대의 규모 - 일본 Nitto-Denko가 세계 ITO 필름 시장의 85%를 장악하고 있고, ITO 원소재 인듐도 전체 생산량의

73%가 중국에 집중되어 있어 ITO를 대체할 수 있는 신재료의 개발이 절실

-ITO 필름은 대형 면적의 터치패널을 구현하기 위해 결정화를 통한 저항 감소는 한계가 있고, 잘 부러지는 문제점으로 향후 플렉시블 디스플레이용 터치에는 적용이 어렵다는 전망

● 다양한 대체소재가 개발되고 있지만 상용화에 가장 근접한 기술은 메탈 메쉬와 은 나노와이어인데

,

전도성이 높은 순수 금속을 사용하기 때문에 저항값이 낮고

,

유연성이 높아 플렉시블 디스플레이에 적용 가능

●

Metal Mesh

는

ITO

보다 센서 감도도 우수하고

, 13

인치 중대형 디스플레이에서

50

인치 대형 화면까지 터치 패널 제작이 가능하다는 장점을 보유

- 메탈메쉬는 우수한 투명성을 위해 사용하는 격자무늬가 고해상도 디스플레이의 픽셀과 겹쳐 물결무늬처럼 보이는 모아레 현상이 발생하는 시인성 문제가 존재

- 중대형 터치패널은 3㎛ 선폭으로 공정을 양산에 적용하고자 노력하고 있는데, 이를 위해서는 상압용 공정보다는 노광 공정이 적용되어 공정단가를 줄일 수 있다는 장점이 희석될 가능성이 우려

-Ag Mesh는 O-film, 미래나노텍, Cima Nano Tech, LG 이노텍, Gunz, 잉크테크, 시노펙스 등이 주요 개발 업체이며, Cu Mesh는 Toppan, DNP, LG화학, 금호전기, Unipixel 등이 주요 개발 업체

● 은 나노와이어 필름은 미국

Cambrios

의 원천기술인 은 나노와이어가 포함된 용액을 필름 위에 코팅하여 사용 중이며

, 2012

년 삼성이

Cambrios

에

500

만 달러를 투자하며 긴밀하게 협력 중

- 은나노와이어 필름은 전도도를 향상시키기 위해 원재료인 은의 투입량을 증가시키면 원가 경쟁력이 떨어지는 문제점과 균일한 코팅공정을 확보하는 것이 해결해야 하는 과제

- 은 나노와이어는 Cambrios의 소재를 사용하는 LG전자, E&H, 효성, 3M, TPK Film solution이 있고, 자체적으로 필름까지 생산하는 Carestream이 주요 개발 업체이며, Fujifilm은 기존 필름 사진인화 기술을 활용한 Ag halide로 제품을 출시

-20인치 이상에서는 은 나노와이어 필름, Ag Metal Mesh, Cu Metal Mesh 필름 등으로 GFF 또는 GF2로 GG 시장을 대체하는 추세

- 전 세계 전도성 나노 분말 시장은 약 6조 원 규모(국내시장은 8,000억 원)

그림 6 터치패널용 도전성 잉크의 용도 및 페이스트의 시장 현황³⁾

3 ^{시사점(기술수준)}

표 2 터치패널 분야별 선진국 기술 격차⁴⁾

분류 상대수준 격차기간(년수)

한국 미국 일본 EU 중국 한국 미국 일본 EU 중국

Touch Panel 소재 84.5 83.7 100 77.5 69.4 1.2 1.1 0.0 1.6 2.5

점/접착 소재 82.3 94.4 100 92.4 71.1 2.0 0.4 0.0 0.6 3.1 나노필름 소재 83.2 98.0 100 88.1 70.0 1.5 0.2 0.0 1.1 2.5 오감 인터렉션 S/W 74.6 100 84.0 84.7 66.4 2.1 0.0 1.4 1.4 3.0

● 터치패널 관련 업체들은 수익률의 감소를 만회하고

,

중국의 가격 공세에 대비하면서 중대형 디스플레이용 터치패널을 개발해야 하는 다중고에 직면

● 터치패널에 사용될 전극으로

bendable, flexible, stretchable

특성을 가진 투명전극 개발이 여러 연구 그룹에서 진행 중

● 다양한 유연 투명전극들 중 은 나노와이어 및 메탈메쉬는 우수한 전도성 및 투명성으로 가장 주목받는 전극으로 기대

● 향후 폴더블 터치패널의 경우

,

낙하 시 파손방지

(

비산방지

),

저소비전력

, bending

횟수에 따른 주름 발생 및 저항 증가 문제가 잘 해결되면 새로운 터치패널 시대가 열릴 것으로 전망

3) IDTechEx (2014.04)

에너지 절감형 슈퍼 스팁 (super steep)

스위칭 미래 CMOS extension 반도체 소자 기술

신 창 환 (성균관대학교 정보통신대학 전자전기공학부 교수, cshin@skku.edu) 제2절 나노연산소자 05

1 ^{기술 개요}

1.1. 기술 정의

●

0.5V

이하의 구동 전압

(Power supply voltage)

에서 백만 배 이상의

on-/off-current ratio

특성 확보를 위하여 상온

300K

기준

Subthreshold Swing

¹⁾값이

60mV/decade

이하인 초저전압 고성능

CMOS

소자 기술

- 기존 CMOS 반도체 소자(예 : Planar bulk MOSFET, FD-SOI MOSFET(UTB MOSFET), Gate-All- Around(GAA) MOSFET, MBCFET 등) 성능 향상을 위한, 다양한 소자 설계 및 공정 기술(예 : eSiGe/

SiC을이용한 stress engineering 기술, high-k/metal-gate(HK/MG) 기술, source/drain contact 저항 저감 기술 등)과 호환 가능한 혁신적 요소 기술 개발이 요구

- 실리콘 기반의 반도체 소자/공정 기술과 다소 동떨어진 신물질(예 : 그래핀, CNT, 자성재료 등) /신구조에 기반한 기술들은 중･단기적으로 ^CMOS 기반의 DRAM/NAND 및 실리콘 집적회로 칩에 도입하기 어려 운 것이 현실

- 신기술의 경제성이 담보되지 못하는 경우 장기적 도입은 가능할 수 있으나, 중･단기적 도입은 사실상 어려운 상황

1) Subthreshold Swing(SS) : 트랜지스터의 전류량을 10배 높이는 데 필요한 최소의 전압값을 의미