3D 프린팅으로 구현된 수직형 나노 레이저 기술
복잡한 공정 없이 고밀도 빛 반도체 집적을 실현한 차세대 제조 방식
광컴퓨팅과 양자 보안 기술이 요구하는 고밀도 광집적회로 구현을 위한 핵심 기술이 국내 연구진에 의해 개발되었습니다. 특히 복잡한 생산 공정 없이 광 반도체 소자를 직접 적층 구현할 수 있는 새로운 3D 프린팅 기반의 방법론이라는 점에서 주목할 만합니다.
초고밀도 광집적회로 구현을 위한 새로운 반도체 제조 방식
한국과학기술원(KAIST) 기계공학과 김지태 교수 연구팀은 포항공대(POSTECH) 노준석 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해, 수직으로 적층된 ‘수직형 나노 레이저’를 초미세 3D 프린팅을 통해 제작하는 데 성공하였습니다. 수직형 나노 레이저는 초고속 광컴퓨팅 장치의 핵심 구성 요소로, 그 구조적 특성 상 매우 정밀하고 밀도 높은 집적이 요구됩니다.
기존의 리소그래피 기반 반도체 제작 방식은 동일한 구조의 반복적 대량 생산에는 적합하나, 설계 유연성과 공정 간소화 측면에서는 많은 한계를 드러냈습니다. 특히 반도체 칩 내에 자유로운 형태의 광소자를 고밀도로 배치하는 데 있어 기술적 제약이 존재하였습니다.
반면, 이번에 연구팀이 개발한 방식은 빛의 생성 및 방출 효율이 높은 ‘페로브스카이트’ 반도체 소재를 사용하여, 수직 방향으로 나노 구조를 쌓아 올리는 새로운 적층 방식의 3차원 프린팅 기술입니다. 이 구조는 높은 공간 효율은 물론, 빛 손실 최소화 측면에서도 유리한 조건을 제공합니다.
초미세 전기유체 기반 정밀 프린팅 기술 도입
특히 이번 연구에서는 전압을 이용하여 극소량의 액적을 정밀하게 분사 및 제어할 수 있는 ‘초미세 전기유체 3D 프린팅 기술’이 중심 기술로 도입되었습니다. 머리카락보다 가늘고 긴 형태로 제작된 나노 기둥 구조물은 기존 장비로 구현되기 어려운 수준의 미세 정밀도로 배치가 가능하였습니다.
복잡한 절삭이나 식각 공정 없이 원하는 위치에 직접 소자를 형성할 수 있는 방식이기에, 제조 공정의 복잡도 및 비용을 획기적으로 낮출 수 있다는 장점이 있습니다. 이에 따라 레이저 소자의 형태와 집적 레이아웃이 자유로워졌으며, 더욱 다양한 광학 기능의 구현이 가능해졌습니다.
또한 인쇄된 구조물의 표면 처리 과정에서도 기술적 진전이 있었습니다. 기체상 결정화 제어 기술을 도입하여, 결정립을 거의 단결정에 가깝게 정렬시키는 작업을 수행하였습니다. 이 과정은 반사와 산란으로 인한 광 손실을 줄이고, 레이저 작동의 안정성 및 효율 개선에 결정적인 역할을 하였습니다.
응용 가능성과 실용화 잠재력
이번 기술은 나노 구조의 높이를 조정함으로써 출력되는 레이저의 파장, 즉 빛의 색을 정밀하게 제어할 수 있는 기능도 확보하였습니다. 이를 활용하면 육안으로는 인식할 수 없는 레이저 기반 보안 패턴을 제작할 수 있으며, 특정 장비를 통해서만 확인 가능한 고유한 광학 서명을 구현하는 위조 방지 기술로도 응용이 가능합니다.
이러한 광 기반 보안 기술은 화폐 위조 방지, 기밀 문서 인증, 지식재산 보호 등 다양한 보안 응용 분야에 활용될 수 있습니다. 또한, 고속 처리율이 요구되는 광컴퓨팅 장치 내에서 집적 회로의 효율성을 극대화할 수 있는 기반 기술로 작용하여 실질적인 상용화 가능성이 확인되었습니다.
김지태 교수는 연구에서 다음과 같이 설명하였습니다.
"이번 기술은 복잡한 공정 없이 빛으로 계산하는 반도체를 칩 위에 직접 고밀도로 구현할 수 있게 한다"며 "초고속 광컴퓨팅과 차세대 보안 기술의 상용화를 앞당길 것"이라고 밝혔습니다.
국제 학술지 등재로서의 학문적 가치
이번 연구 성과는 기계공학과 박사후연구원 스치 후(Shiqi Hu) 박사를 제1저자로 하여, 나노기술 분야의 국제 권위 학술지인 ‘ACS 나노(Nano)’에 공식 게재되었습니다. 이는 해당 기술의 과학적 타당성과 독창성, 그리고 응용 가능성에 대한 국제적 기준에서의 인증이 이루어졌다는 점에서 중요한 의미를 지닙니다.
특히 나노 구조를 정밀하게 제어하면서도 대체 가능한 제조 공정으로 구현했다는 점이 학계에서 높은 평가를 받고 있습니다. 3D 프린팅 기반의 반도체 재료 가공 기술은 향후 디지털 집적 기술과 나노 광학 소자의 융합 분야에 있어 필수적이며, 그 확장 가능성은 매우 높다고 할 수 있습니다.
공간 효율성을 높이는 수직 적층 구조의 기술적 의의
기존의 반도체 및 레이저 소자는 보통 수평 방향으로 형성되어 빛이 아래로 확산되거나 새는 방식으로 제한적인 출력 효율을 보여주는 한계를 내포하고 있었습니다. 올려 쌓는 수직 적층 방식은 이러한 구조적 제약을 극복하고, 동일 면적 내에서 더 많은 소자를 배치할 수 있는 공간 효율성을 제공합니다.
또한 수직형 구조는 인접 구조물 간 간섭을 방지하고 고출력 레이저 구현에 유리한 구조입니다. 이는 향후 칩 기반 광연산 장치 내에 다채널 통신 또는 병렬 연산 기능 구현에 있어 중요한 형태적 이점을 제공할 수 있습니다. 즉, 단일 소자 차원에서의 성능 개선을 넘어 전체 시스템 차원의 처리 능력을 획기적으로 향상시킬 수 있습니다.
산업적 확장을 고려한 연구 기반 마련
기계공학과와 재료공학, 전자공학을 아우르는 융합형 연구가 본 기술의 성공적 구현을 가능하게 하였습니다. 또한 광학, 전자기학, 유체역학이 유기적으로 접목된 실험 모델은 향후 산업계와의 기술 이전 가능성에도 긍정적 영향을 줄 것으로 판단됩니다.
기술이 갖는 산업적 의미는 단순한 레이저 소자 제작 기술에 그치지 않습니다. 이번 연구에서 사용된 전기유체 기반 3D프린팅 기술은 향후 디스플레이, 바이오센서, 마이크로 LED 등 나노급 정밀도가 요구되는 다양한 분야에 공통적으로 접목될 수 있는 범용 플랫폼이 될 수 있습니다. 이러한 확장성은 국내 관련 산업의 기술 경쟁력 강화에도 기여할 수 있습니다.
마치며
수직형 나노 레이저의 3D 프린팅 구현은 광컴퓨팅과 보안 기술 분야에 있어 구조적, 공정적 한계를 극복하는 중요한 전환점이 될 수 있습니다. 본 연구는 첨단 소재 활용뿐 아니라 정밀 제어 기술의 유기적 접목을 통해 반도체 산업 전반의 새로운 방향성을 제시하였습니다. 향후 이 기술의 실용화 가능성과 응용 확대에 지속적인 관심이 요구됩니다.
한양3D팩토리는 3D프린팅 분야의 지속적인 기술 발전을 통해 국내외 연구진의 혁신적 성과를 지원할 수 있는 플랫폼입니다. 이런 발전을 바탕으로 광컴퓨팅과 보안 기술의 실용화 가능성을 높이는 데 기여할 수 있기를 바랍니다.
