3D 프린팅 기술로 구현한 고효율 나노 레이저, 미래 반도체 혁신의 문을 열다
차세대 반도체의 핵심 소자인 나노 레이저의 대량 제작 가능성을 3D 프린팅 기술로 구현한 국내 연구가 주목받고 있습니다. 광컴퓨팅, 양자통신, AR 디스플레이 등 미래 산업을 지탱할 정부 기반 기술로서의 의미가 커지고 있습니다.
고속 광연산과 양자통신을 위한 필수 요소, 나노 레이저
나노 레이저는 정보의 전달과 처리에 있어 전자가 아닌 빛을 활용함으로써, 계산 속도와 보안성을 획기적으로 높일 수 있는 차세대 소자로 분류되고 있습니다. 특히, 초고속 인공지능 처리, 양자 암호 통신, 초고해상도 증강현실 디스플레이 등의 응용 분야에서 필수적인 기술로 인식되고 있습니다.
기존 반도체 레이저는 대부분 기판 위에 수평으로 제작되어, 소자 면적을 넓게 차지하거나 효율적인 광방출에 제약이 존재하였습니다. 또한 동일한 형태의 구조물을 대량 생산하는 기존 리소그래피 기반 제조 방식은 복잡한 공정과 높은 비용으로 인해 구조의 자유로운 설계 및 위치 배치에 한계를 보였습니다.
이로 인해, 제작 방식의 유연성과 공간 효율성을 동시에 확보할 수 있는 새로운 방식의 필요성이 제기되고 있었습니다.
수직형 나노 레이저 구현을 위한 3D 프린팅 방식 도입
KAIST 김지태 교수 연구팀과 POSTECH 노준석 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하고자 공동으로 초미세 전기유체 3D 프린팅 기술을 개발하였습니다. 연구진은 빛 방출 특성이 우수한 ‘페로브스카이트’ 소재를 활용하여, 머리카락보다 더 가는 수직형 기둥 형태의 나노 구조물을 정밀하게 인쇄하는 방식으로 레이저 제작 공정을 구현하였습니다.
핵심은 전기장 조작을 이용한 ‘아토리터(10⁻¹⁸ L) 단위 잉크 방울’을 원하는 위치에 정확하게 적층하는 기술에 있으며, 이를 통해 기존의 회로 패턴 공정 없이 특정 부위에 맞춤식으로 고립된 구조물을 인쇄할 수 있었습니다. 이러한 기술적 진보는 반도체 기판 위에 고밀도 집적이 가능한 나노 레이저 어레이를 손쉽게 구현하는 기반을 마련하였습니다.
"복잡한 리소그래피 공정을 거치지 않고도 기능성 구조물을 연속적으로 프린팅할 수 있는 접근법이 가능해졌습니다."
결정 품질 제어와 레이저 효율 향상의 조합
3D 프린팅 기술이 주목받는 이유는 단순한 구조체 형성을 넘어, 고품질 광학 특성을 유지하며 효율적인 레이저 성능을 구현할 수 있었기 때문입니다. 연구팀은 프린팅 과정 중 ‘기체상 결정화 제어 기술’을 결합하여, 나노 구조물의 결정성을 단일 결정에 가깝게 구현하였습니다. 이로 인해 표면이 매끄럽고 내부 결함이 적은 구조를 확보할 수 있었고, 이에 따라 레이저 효율도 대폭 향상되었습니다.
실제로 제작된 수직형 나노 기둥들은 빛 손실이 낮고 안정적인 발광 특성을 보였으며, 구조물의 높이를 조절함으로써 출력되는 빛의 파장을 정밀하게 제어할 수 있는 가능성 또한 입증하였습니다. 이는 단순한 정보 처리용 레이저를 넘어, 다양한 색상의 빛을 활용하는 보안 식별 및 정밀 센서 분야로의 응용 가능성을 보여주고 있습니다.
위조 방지 기술로 확장 가능한 응용 사례
연구 결과는 고속 광컴퓨팅이나 AI 반도체 개발 외에도 위조 방지를 목표로 하는 보안 기술 분야에서도 실용성을 나타냈습니다. 나노 구조물의 크기 및 배열을 조정하여 특수 장비로만 감지 가능한 ‘레이저 보안 패턴’을 출력할 수 있었으며, 이는 복제 방지가 중요한 지폐, 인증서, 브랜드 제품 등에 활용될 수 있는 새로운 보안 솔루션으로 평가받고 있습니다.
"육안으로는 보이지 않지만 레이저로만 식별 가능한 패턴 형성이 가능하여, 고신뢰 보안 기술로의 확장이 기대됩니다."
국제 학술지에서 주목한 기술의 파급력
이번 연구는 나노과학 분야의 권위 있는 국제 학술지인 ‘ACS Nano’ 2025년 12월호에 게재되며 과학계에서도 높은 관심을 받았습니다. 실험적 타당성과 응용 확장성 모두에서 성과를 입증하였고, 전통적인 나노소자 제조 방식을 대체할 수 있는 실용적 대안을 제공하는 점에서 평가받고 있습니다.
김지태 교수는 이번 연구가 갖는 기술적 의미에 대해 다음과 같이 평가하였습니다.
"이번 기술은 복잡한 공정 없이 빛으로 계산하는 반도체 기술을 직접 반도체 칩 위에 고밀도로 구현할 수 있는 기반을 마련하였습니다. 초고속 광컴퓨팅과 보안 분야에서의 상용화를 크게 앞당길 수 있을 것입니다."
반도체 집적도와 설계 자유도에서의 기술적 전환점
이번 3D 프린팅 기반 나노 레이저 제작 기술은 기존 반도체 패키징의 한계를 벗어나, 구조 변화 및 소재 적용 측면에서 획기적인 전환점을 마련하였습니다. 이 기술은 복잡한 리소그래피 없이도 다양한 형태의 소자를 유연하게 설계하고 적용할 수 있는 기술적 기반을 제공하며, 향후 고성능 반도체 집적회로 설계의 자유도를 대폭 향상시킬 수 있을 것으로 예상됩니다.
특히, 수직 구조의 적용을 통해 공간 활용도를 극대화함으로써, 동일 면적 대비 더욱 많은 기능성 소자의 집적 설치가 가능해졌습니다. 이는 고밀도 패키징이 요구되는 모바일 및 내장형 반도체 설계 분야에서 매우 중요한 기술로 자리잡을 수 있습니다.
예산 절감과 생산 효율의 균형 확보
전통적인 반도체 공정은 수천 단계에 달하는 가공 단계를 필요로 하기 때문에, 생산설비 구축 및 유지에 막대한 비용이 발생하였습니다. 그러나 이번 3D 프린팅 방식은 다품종 유연생산이 가능하며, 프린팅 기반의 방식은 에칭, 증착, 세정 등 고비용 공정을 최소화할 수 있습니다.
이는 연구개발 분야에만 국한되지 않고, 향후 공장 자동화 및 민간 제조업 영역으로의 기술 확산 또한 가능하게 할 것으로 전망됩니다. 이는 스타트업이나 소규모 연구기관에서도 나노 광소자에 대한 접근성을 높일 수 있는 기회를 제공할 수 있습니다.
마치며
이번 나노 레이저 제작 기술은 3D 프린팅 기법과 첨단 재료 과학의 융합을 통해 반도체 산업의 기술적 장벽을 효과적으로 낮추었습니다. 고속 정보 처리와 보안 기술을 동시에 뒷받침할 수 있는 기반 기술로서, 향후 광범위한 분야에서 상용화 가능성을 지닌 중요한 성과입니다.
3D프린팅 기술은 반도체 산업에서 새로운 가능성을 열어가고 있으며, 이 기술의 발전은 고정밀 전자소자의 효율성 및 설계 유연성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 한양3D팩토리는 이러한 혁신적인 기술 발전을 통해 3D프린팅 산업의 선두주자로서 기여할 것입니다.
