KAIST 첨단생산기술 및 표면공학 연구실(AMSE Lab)에서는 생산공정 기술들에 대한 역학적 이해를 바탕으로 공정기술의 첨단화 방안을 도출하고, 최신 과학기술들을 생산공정에 도입하여 혁신기술을 개발하는 연구들을 진행하고 있습니다. 이를 전자기기, 자동차, 에너지, 환경, 로봇, 바이오 등 다양한 응용분야에 적용함으로써 산업적 파급효과를 극대화하는 것을 목표로 합니다. 현재 저희 연구실은 반도체 제조에 핵심적으로 사용되는 화학적기계연마(chemical mechanical polishing)를 비롯하여, 탄소나노튜브(carbon nanotube)의 합성 및 응용을 통한 3차원 구조의 다기능 표면(multi- functional surfaces) 제작기술, 금속나노구조의 전기증착(electrodeposition)을 활용한 배터리 전극 및 공기필터 제작기술, 전자기계적 접착(electromechanical adhesive) 등 다종소재(multi-material) & 다중스케일(multi-scale)의 새로운 공학적 표면을 구현하는 연구들을 수행하고 있습니다. 특히 접촉역학(contact mechanics) 및 트라이지 이론에 대한 학문적 이해를 바탕으로 두 개의 공학적 표면(engineered surfaces)들이 물리적 접촉(contact)을 함으로써 발생하는 접착(adhesion), 마찰(friction), 마모(wear), 물질의 전달(material transfer), 변형(deformation) 등의 현상을 인위적으로 정밀하게 조작이 가능함을 실험적으로 검증하고, 이를 효과적으로 제조 공정에 접목함으로써 혁신적 기능의 부품들을 구현할 수 있는 첨단제조(advanced manufacturing) 공정 기술들을 개발하고자 합니다. - 반도체 생산기술 (화학적기계연마(CMP) & post-CMP 세정) - 접촉역학 및 트라이볼로지 (기계요소 부품의 마찰, 연마 이론모델링 및 특성 분석) - CNT 및 금속 나노소재 합성 및 응용 (리튬금속전지 음극, 나노공기필터, SERS 센서) - 적층 및 디지털 제조 기술 (다종소재 적층제조, 마이크로/나노 부품 정밀전사 기술)

□ 화학적기계연마(CMP)

화학적기계연마 기술은 반도체 생산에 있어서 필수불가결한 공정으로, 웨이퍼 표면을 평탄화하는 기술입니다. 공정 원리가 복잡할 뿐만 아니라 많은 소모품의 사용으로 공정 제어가 예측이 어렵고 생산효율을 유지하는데 현장인력의 많은 노력을 필요로 하는 공정입니다. 저희 연구실에서는 접촉역학을 바탕으로 새로운 이론모델을 제시함으로써, 핵심 소모품인 연마 패드의 주요 변수에 따른 공정 성능 예측을 가능하게 한 바 있습니다. 본 이론모델은 공정 효율을 개선하고, 현재 비효율적으로 소모되고 있는 연마패드의 수명시간을 증가시킬 수 있는 방안을 제시하고 있습니다. 현재 저희 연구실에서는 높은 공정 이해도를 바탕으로 CMP 공정 혁신을 위한 신개념 패드 개발 및 성능 평가를 진행하고 있습니다.

 

□ 탄소나노튜브(CNT) 합성 및 응용

탄소나노튜브는 1-100 nm 의 직경을 갖으면서 높은 세장비를 갖는 대표적인 1D 소재로써 높은 기계적 강도 뿐만 아니라 우수한 전기/열 전도성 등의 다양한 장점을 지닌 나노소재입니다. CNT소재를 3차원 미세구조로 제작하면 기존 소재 및 부품으로는 어려운 혁신적인 기능 구현이 가능합니다. 예를 들어, CNT 기반 미세구조물 표면을 인쇄스템프로 활용하여 고속, 고해상도의 플렉소그래피 인쇄공정 기술을 개발한 바 있습니다. 또한 CNT의 미세한 형상과 높은 전기전도성을 활용하여 마이크로/나노 소재를 전사할 수 있는 혁신적은 능동적 정전접착 공정을 개발하였습니다. 현재는 10nm 이하 반도체 생산에 적합한 CNT 원자층가공 패드, CNT 능동식 정전접착 세장 브러쉬 개발 등 보다 다양하면서도 독창적인 공정기술 개발을 진행 중입니다.

 

□ 구리나노구조의 전기증착 및 응용

구리의 전기증착(electroadhesion)은 광범위하게 사용되는 공정기술으로, 본 연구실에서는 상용 구리 메쉬시트에 나노구조 형상을 직접 전기증착하여 멀티스케일의 계층구조를 갖는 구리시트 제작 기술을 보유하고 있습니다. 마이크로와 나노 스케일을 동시에 갖는 구리시트는 제작이 용이하여 양산성이 높을 뿐만 아니라 다양한 응용분야에서 높은 기능 구현이 가능합니다. 예를 들어, 구리계층구조를 음극소재로 활용하면 리튬금속전지의 성능 개선이 가능함을 검증하였으며 관련 기술특허를 2021년 출원한 바 있습니다. 또한, 마이크로/나노 구리시트는 차압이 낮으면서도 헤파필터급의 높은 포집효율을 갖는 공기필터로 활용이 가능합니다. 100% 구리로써 높은 항균기능도 갖고 있는 나노구리필터 기술 역시 2021년 국내 및 해외 특허를 출원하였습니다. 본 기술은 그 외에도 방열 및 차폐 금속시트 등 응용분야를 앞으로 다양하게 확장해 나갈 계획입니다.

 

□ 적층 및 디지털 제조 기술

적층제조기술은 빠르게 변하는 시장 트렌드에 가장 유연하게 대처할 수 있으며, 데이터 기반의 미래 생산시스템에도 호환성이 높아 활용도가 급격히 증가하고 있습니다. 저희 연구실에서는 소재압출(material extrusion) 방식으로 적층제조된 부품의 기계적 강도를 개선할 수 있는 쉘-코어 방식의 이종소재 기술을 개발하였으며, 3개 소재 이상을 동시 압출 가능한 다종소재 프린터를 자체 제작하여 응용분야를 탐색하고 있습니다. 또한 공정의 실시간 진단 및 보정을 위해 머신비젼과 학습기법을 활용한 스마트 3D 프린팅 기술도 개발 중에 있습니다.

[그림 좌부터] 화학적기계연마, CNT합성 및 응용, 구리나노구조 전착 및 응용, 다종소재 적층제조