기계연, 유연전자소자 대량생산 길 열었다…"반도체 공정 활용 기대"

미세한 비틀림까지 실시간 추적
유연전자소자 대량생산 기반 확보
반도체 패키징 공정 등 산업분야 적용 기대

[이데일리 안유리 기자] 한국기계연구원 연구진이 유연기판을 연속으로 패터닝할 수 있는 ‘디지털 리소그래피 시스템’을 개발했다. 향후 반도체 패키징 공정 등 다양한 산업 분야에 활용이 기대된다.

기계연은 29일 나노융합연구본부 장원석 본부장 연구팀이 실시간 패턴 보정이 가능한 디지털 리소그래피 스캐너를 개발하고 이를 롤투롤 이송시스템과 결합해 유연전자소자의 연속 패터닝 기술을 구현했다고 밝혔다.

기계연 김재영, 이원섭 선임연구원이 디지털 노광기 구동 테스트 중에 있다. (사진=기계연)

연구팀은 DMD(Digital Micro-mirror Device) 기반 디지털 노광 기술과 초정밀 이송 제어 기술을 융합해 기판 변형과 위치 오차를 실시간으로 보정할 수 있는 시스템도 구축했다.

이번 성과는 반도체 공정의 핵심인 리소그래피 기술을 롤투롤(Roll-to-Roll) 공정에 성공적으로 접목한 것으로, 기판 변형을 실시간으로 보정하면서도 크기 제한 없는 연속 생산이 가능해 차세대 유연전자소자의 대량생산 기반을 마련할 것으로 기대된다.

기계연 연구팀이 개발한 롤투롤 디지털 리소그래피 시스템은 DMD 기반 디지털 노광 기술을 활용해 원하는 영역에만 자외선을 조사하는 방식으로 작동한다. 이를 위해 롤투롤 공정에 적합한 노광 시스템과 초정밀 이송 제어 기술을 개발해 최소 선폭 10㎛ 이하의 고해상도 패터닝 성능을 구현했다. 또한 기판 이송 과정에서 발생하는 사행과 장력 변형을 실시간으로 측정·보정해 안정적인 패턴 형성이 가능하도록 했다.

기존의 디지털 노광 기술은 평면 스테이지 기반으로 구동돼 장비 크기에 따라 기판 크기가 제한되는 한계가 있었다. 또한, 유연기판을 보조 기판에 붙였다 떼는 우회 공정을 거쳐야 해 불량 발생률도 높았다. 반면, 이번에 개발된 시스템은 회전하는 곡면 롤 위에서 직접 패터닝이 이루어지는 라인빔 노광 구조를 적용했다. 보조 기판 없이 유연기판을 직접 이송하면서, 미세한 비틀림이나 흔들림을 실시간 비전 측정으로 즉각 보정해 초정밀 패턴을 새겨 넣는 것이 차별점이다.

룰투롤 시스템과 Multiple DMD Head를 이용한 디지털 노광 공정 (사진=기계연)

본 기술은 별도의 노광 마스크를 제작할 필요 없이, 소프트웨어 설계만으로 다양한 패턴을 즉각 구현할 수 있어 제품 개발 기간과 생산 비용을 절감할 수 있다. 또한, 유연기판을 보조 기판 없이 연속 이송하며 직접 패터닝하기 때문에 기판 길이에 제한이 없는 대면적 양산이 가능하다. 이를 통해 차세대 유연전자소자의 생산성을 극대화하고, 관련 산업의 대량생산 패러다임을 바꿀 기반 기술이 될 것으로 기대된다.

반도체 공정의 핵심인 리소그래피 기술을 롤투롤 연속 생산 공정에 적용한 이번 성과는 차세대 유연전자소자 생산기술로 주목받고 있다. 특히 기판 변형을 실시간으로 보정하면서 고해상도 패터닝을 구현한 기술력을 인정받아 북미 최대 롤투롤 기술 학회인 ‘2026 R2R USA Conference & Expo’에서 ‘Technology of the Year Finalist’로 선정됐다.

장원석 기계연 나노융합연구본부 본부장은 “롤투롤 디지털 리소그래피 시스템은 유연전자소자의 대량생산을 가능하게 하는 핵심 플랫폼 기술”이라며 “유연 PCB를 비롯해 고해상도 유연전자소자, 반도체 패키징 공정 등 다양한 산업 분야에 적용될 것으로 기대한다”고 밝혔다. 이어 “향후 롤 표면 패터닝을 위한 디지털 노광 공정에도 활용할 수 있어 응용 범위가 더욱 확대될 것으로 전망된다”고 말했다.