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이은지(포항공과대학교 기계/화학공학과)
기존에는 물체를 가공하기 위해서 공구를 이용해 구멍을 뚫거나(drilling), 공구를 회전하며 깎거나(milling), 가공하고자 하는 물체를 회전하며 깎는(lathing) 공정 기술을 이용하여 재료를 가공해왔다. 이 때 공구로는 엔드밀(endmil), 밀링 커터(milling cutter), 드릴(drill) 등을 주로 이용한다. 
기존의 기계적 가공 방식으로 마이크로 스케일 이하의 형상을 정교하게 가공하기 위해서는 이에 상응하는 크기의 공구가 필요하다. 하지만 실제로 구조를 제작하는 공구를 마이크로 스케일의 크기로 가공하기가 어렵다. 따라서 마이크로 스케일 이하의 형상을 가공하기 위해서 나노 가공 기술을 이용한다. 이는 크게 탑다운(top down) 방식과 바텀업(bottom up) 방식으로 나뉘어진다. Top down 방식은 일반적으로 큰 재료로부터 전자나 이온 등을 쏘아 깎아내는 등의 방법을 통해 원하는 형상을 얻어내는 방식이다. 대표적으로 포토 리소그래피(photolithography: PL), 전자빔 리소그래피(electron beam lithography: EBL), 집속 이온 밀링(focused ion beam: FIB), 나노임프린트 리소그래피(nanoimprint lithography: NIL) 등이 이에 속한다. 이외에도 top down 공정의 일환으로 원하는 물질에 에너지를 가하여 에너지에 의해 분리된 입자를 기판에 증착하는 물리 기상 증착법(Physical vapor deposition: PVD)과 화학 반응으로 원하는 물질을 분해해 기판에 증착하는 화학 기상 증착법(Chemical vapor deposition: CVD) 및 건식 식각(dry etching), 습식 식각(wet etching) 등이 있다. Bottom up 방식은 주로 화학/물리적 상호작용을 이용한 것으로 분자단위에서 큰 사이즈로 가공하는 방식이다. 대표적으로 표면화학과 화학 기상 증착을 통해 나노와이어의 결정을 성장하여 형상을 만드는 기체-액체-고체(vapor-liquid-solid: VSL), 나노 입자의 자기조립 공정이나 단분자막, DNA의 자기조립 공정이 이에 속한다. 특히 Top down 방식 중 EBL은 10 nm 정도의 해상도로 가공을 할 수 있기 때문에 나노 공정이 필수로 수반되는 메타물질 분야에서 중요한 가공 기술로 여겨진다. EBL은 집속된 고에너지 전자빔을 이용해 기판에 직접적으로 나노 패턴을 새기는 방식으로 전자의 드 브루이 파장(de Broglie wavelength)은 같은 에너지(eV)를 가지는 photon의 1/1000 정도의 작은 파장을 가지므로 1000배 가까이 높은 해상도를 가질 수 있기 때문에 나노 공정에 용이하다. 또한 PL과 달리 별도의 마스크가 필요하지 않으며 CAD로 미리 설계한 디자인을 적용하는 방식이기 때문에 복잡한 2차원 형상을 가공할 수 있다. |
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