인체에서 일어나는 움직임 가운데 가장 빠른 것은 외부 자극에 대한 귀의 반응으로 0.1 밀리초(밀리초〓1000분의 1초)에 이른다. 보통 눈의 깜박거림이 가장 빠르다고 생각하기 쉽지만 고작 0.1초에 불과하다. 그렇다면 가장 짧은 반응을 측정하고 계측할 수 있는 것은 무엇일까? 바로 레이저다. 최근 국내 연구진이 1000조 분의 1초로 엄청나게 짧은 시간인 펨토초를 활용해 펨토 과학기술분야의 산업화 길을 열었다. 펨토과학은 의학ㆍ기초과학은 물론 IT, NT, BT등 응용과학분야에서도 폭넓게 사용할 수 있어 관련 기술의 산업화에 대한 선진 각국의 개발 경쟁이 치열하다.

KRISS(한국표준과학연구원, 원장 정광화) 전략기술연구본부 차세대계측기개발센터 정세채 박사팀이 반도체 및 LED 양산에 필수 재료로 활용하는 대면적 초박형 실리콘 및 사파이어 기판의 절단 및 미세 가공, 재료 공정 기술 개발에 성공했다.

이 기술은 수십 mm/sec의 높은 공정 속도와 정밀도를 동시에 겸비해 기존의 다이아몬드 톱을 활용할 경우 양산 적용이 불가능 했던 박형 기판 공정상의 한계를 극복했다. 연구진은 물질과 펨토초레이저와의 비선형적인 상호작용 현상과 관련한 선행 측정과학 연구 결과를 기반으로 이 성과를 이루어냈다.

이번 기술은 나노초 레이저와 펨토초 레이저를 동시에 활용해 다이싱(dicing) 공정속도를 기존보다 12배 이상 증가시켰으며, 관련 기술을 바탕으로 지난해 수십 마이크로미터 두께의 12 인치급 실리콘 메모리 반도체 기판의 다이싱 공정 장비 개발에 성공했다.

관련 기술은 그 우수성을 인정받아 2006년에는 광학분야 최고 저널인 옵틱스 익스프레스(OPTICS EXPRESS)에 발표되었으며, 10건의 관련 기술특허를 획득했다. 또한 올해 1월에는 (주)한빛나노바이오테크에 기술이전 했다.

KRISS는 펨토초 레이저를 응용한 다양한 광전소재 및 기능성 화합물에 대한 동력학적인 측면의 연구 개발에 역량을 집중하고 있으며 연세대, 서울대, KAIST, 포항공대, 광주과기원 등 관련 학계와 지속적으로 공동연구를 수행하고 있다.

정광화 원장은 “1990년대 말부터 펨토초레이저를 기반으로 한 초미세공정의 장점을 파악하고, KRISS의 기초과학적인 측정과학인프라를 바탕으로 연구개발 활동을 해왔다.”며 “이번에 개발한 기술이 반도체, MEMS, 융합형 단일칩 개발 및 양산공정을 위한 필수 원천기술로 공정장비를 직접 개발, 생산, 상용화할 수 있다는 점에서 세계를 선도하는 성과로 평가된다.”고 말했다.

현재 세계 각국의 반도체, LED, 고가형 전자회로기판(PCB) 소자개발 산업체는 소자의 두께를 줄이기 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 동일 공간에서 가능한 많은 기능 및 용량을 추가하기 위한 것이다. 특히 메모리 및 제어소자에 소형전기기계(MEMS) 및 검출장치, 검출수단 등을 하나의 칩에 구현해 양산함으로써 향후 새로운 시장의 요구에 적극 부응한다는 전략이다.

정 박사는 “초미세 공정을 위한 장비 및 기술은 선진국에서 독점적으로 공급하고 있는 상황”이라며 “하지만 최근 급등하는 시장수요 및 재료비부담에서 벗어나기 위해서는 양산과정에서 기판 두께 및 소모성 재료를 획기적으로 감소할 수 있는 새로운 양산 적용 공정 기술의 개발이 필수적”이라고 말했다. 또한 “이러한 기술을 바탕으로 장비를 개발함으로써 국내 관련 소자산업체의 기술 경쟁력 향상에 기여할 수 있을 것”이라고 설명했다.

앞으로 연구진은 개발된 기술을 바탕으로 펨토초 레이저 광 조절기술을 접목한 새로운 초미세 재료가공 및 공정기술을 개발할 계획이다. 또한 연구진은 태양광 전지개발에 필수적인 폴리 실리콘 등 신소재 표면처리 및 비선형 광학 현상을 이용해 전극 패터닝(Patternig)을 직접 기판에서 가능하도록 하는 기술개발에 성공했다. 이를 바탕으로 가공 공정 중 가공 면을 실시간으로 계측할 수 있고 다양한 레이저 분광 기술을 적용해 가공 공정 최적화를 이룰 전망이다.