최신 미세가공 기술 및 산업 동향
2020-06-29
org.kosen.entty.User@57879292
윤정배(yoonjung)
1. 개요
미세가공은 전체 크기가 마이크로(micro) 사이즈인 부품 및 제품을 생산하거나, 전체 크기는 매크로(macro) 사이즈이면서 표면 또는 내부에 마이크로 사이즈의 구조물을 갖는 부품 및 제품을 생산하는데 사용되는 가공기술을 의미한다.
과거에는 전체 크기가 마이크로 사이즈인 부품 및 제품(마이크로 기어, 마이크로 모터 등)을 제작하는데 사용되는 가공기술을 의미하였으나, 현재는 표면이나 내부에 마이크로 사이즈의 패턴이 들어간 디스플레이용 광학필름과 반사방지 필름 등을 제작하는 가공기술도 의미한다.
미세가공을 통해 부품 및 제품 표면에 수십 ㎛ 이하 크기의 형상이 제작되면 형상이 없을 때와 대비하여 다양한 광특성과 전기특성 등을 보이기 때문에 재료의 물성 변화 없이 부품 및 제품 성능 향상을 이룰 수 있다.
대부분의 미세가공 기술은 재료를 제거하는 공정을 기반으로 하고 있으며, 최근에는 재료를 부가하는 공정을 기반으로 하는 미세가공 기술이 제시되고 있으나 분해능 및 생산성이 높지 않아서 소량 맞춤형 부품 및 제품 등에 일부 적용되고 있다.
미세가공기술은 공정을 수행하는데 필요한 미세가공시스템이 동반되어야 하며, 재료를 제거 또는 부가하는 에너지 인가 방식에 따라 기계적, 화학적 그리고 광학적 미세가공 등으로 구분할 수 있고, 최근에는 이러한 방식들을 혼합한 하이브리드 가공도 제시되고 있다.
본 리포트에서는 재료 제거공정기반 미세가공기술 중 산업계에서 널리 사용되는 기계적 미세가공기술과 광학적 미세가공기술의 기술 수준, 관련 산업 동향 그리고 시사점에 대해 소개하고자 한다.
2. 미세가공 기술[1~4]
2.1. 기계적 미세가공 기술
기계적 미세가공기술은 주로 재료와 공구 간의 접촉을 통해 전달된 에너지를 사용하여 재료를 제거하는 방식의 미세가공 공정기술로 적용되는 공구 및 에너지원에 따라 초정밀 절삭, 방전 가공, 초음파 가공 그리고 자기 연마 등으로 나누어진다.
2.1.1. 초정밀 절삭
초정밀 절삭은 특정 형상을 갖는 다양한 공구를 사용하여 가공물의 표면을 깎아내는 공정기술을 말하며, 가공시간이 짧고 가공된 부품 및 제품의 표면 상태가 우수하기 때문에 직가공 및 금형가공에 모두 널리 사용된다.
과거 절삭기술은 큰 크기의 형상 가공에 사용되기 때문에 미세가공에 적합하지 않다고 여겨졌으나, 최근에는 기계적 미세가공시스템 기술과 절삭공정기술이 모두 향상됨에 따라 수백 밀리미터 크기의 공작물을 나노미터 수준의 정밀도로 수 마이크로미터 크기의 형상을 가공하는 것이 가능해졌다.
특히 다른 기계적 미세가공기술 및 광학적 미세가공기술과 달리 가공형상 단면을 자유롭게 조절할 수 있는 장점을 갖고 있고 표면 거칠기가 매우 우수하기 때문에 빛 경로 제어가 중요한 초정밀 광학 및 디스플레이 산업 등에 널리 사용되고 있다.
2.1.2. 방전 가공
전기적 스파크의 열에너지를 이용하여 재료를 제거하는 방식의 미세가공 공정 기술로서 전도성 재료의 경우에는 재료의 강도에 무관하게 미세가공이 가능하기 때문에 기계적 미세가공기술 적용이 어려운 고경도 취성재료에 많이 사용된다.
와이어를 사용하는 미세와이어방전 가공기술의 경우에는 폭이 매우 얇은 와이어를 사용하기 때문에 고세장비 형상 가공에 널리 사용되며, 기계적 미세가공에 사용되는 초정밀 가공공구 제작에도 사용된다.
2.1.3. 초음파 미세가공 기술
18~20kHz의 초음파 진동을 진동공구에 인가하여 재료를 미세하게 제거하는 미세가공기술로서 전기가 통하지 않는 고경도 취성재료에 적용할 수 있는 장점이 있다.
2.1.4. 자기연마
입상의 자성연마입자에 자장을 인가하여 수직력을 부여하고, 공구를 회전시켜 접선력을 부여하는 연마방법이며, 형상 가공된 부품에 대해서 단시간에 효율이 높은 연마가공이 가능하므로 절삭공구의 날세움과 원통내면 연마 등, 고경도 재료의 표면품질을 높이기 위한 마무리가공에 적용되며, 일반적으로는 특정 기계적 미세가공기술을 사용하여 빠르게 미세가공을 한 후 자기연마 가공 등을 통해 표면에 발생한 버(burr) 등을 제거하여 표면 거칠기를 향상시키는데 사용된다.
2.2. 광학적 미세가공 기술
광학적 미세가공기술은 주로 파동에너지를 사용하여 재료를 제거하는 방식의 미세가공 공정 기술을 말하며, 적용되는 에너지원에 따라 레이저 가공, 포토리소그래피(Photolithography) 그리고 E-beam 가공 등으로 나누어진다.
2.2.1. 레이저 가공 기술
레이저를 적절한 집속 렌즈를 사용하여 수~수십 ㎛ 영역에 모은 후 이 영역에 집속된 높은 에너지를 흡수한 재료가 가열되어 용융 및 기화됨에 따라 재료가 제거되는 미세가공기술이다.
가공정밀도를 높이기 위해서는 레이저빔이 짧은 시간동안만 방출되는 펄스레이저를 사용하여야 하며, 펄스폭이 좁을수록 가공정밀도가 높아지는 장점을 갖고 있기 때문에 최근에는 펄스의 폭이 1,000조 분의 1초에 해당되는 펨토초 레이저(femtosecond laser)가 각광받고 있다.
기존의 레이저 가공은 가공 형상 주위에 열변형이 발생하고 투명한 재료는 가공할 수 없는 단점을 가지고 있었으나, 펨토초 레이저를 사용하게 되면 이러한 단점들을 극복할 수 있다.
또한 스캐너 기술이 발달함에 따라 고속 미세가공이 가능한 레이저 가공시스템이 시장에 등장하였고, 특히 다수의 구멍 가공에 널리 사용되고 있다.
2.2.2. 포토리소그래피
반도체 공정에서 사용하는 미세가공기술로서 마스크를 통과한 레이저빔이 감광제(Photoresist)와 반응하여 회로패턴을 생성하게 하는 미세가공기술로서 nm 크기 의 형상을 가공할 수 있는 장점이 있다.
포토리소그래피 공정으로 생성된 회로패턴은 식각 및 증착 등의 후 공정을 통해 최종 반도체 회로로 완성되기 때문에 후 공정이 항상 필요하지만, 동 기술의 경우, 업계에서는 미세가공기술 중 nm 사이즈의 가공형상 제작이 가능하고 양산성이 확보된 거의 유일한 공정기술로 여겨지고 있다.
2.2.3. E-beam 가공(전자빔 가공)
진공 챔버 내에 고온으로 가열된 필라멘트 음극으로부터 방출된 전자들을 가속시키고 매우 좁은 영역에 집속시킴으로서 전자와 재료 원자가 충돌하여 재료가 제거되는 방식의 미세가공기술이다.
전자 자체가 매우 작기 때문에 수십 nm 이하 크기의 패턴을 직가공할 수 있는 거의 유일한 방법이지만, 한편으로는 이러한 특성으로 인해 가공면적이 넓을수록 공정비용 및 가공시간이 기하급수적으로 증가하는 단점이 있다.
3. 산업 및 기술 동향[5~6]
3.1. 산업 동향
미세가공은 반도체, 디스플레이 그리고 전자제품 등의 기존 산업이 지속적으로 발전/확대되고 있기 때문에 기존 산업을 중심으로 지속적인 발전이 예상되며, 재료의 변경없이 표면 미세가공만으로 부품 또는 제품 특성이 향상되는 장점으로 인해 다른 응용산업으로의 확대가 기대된다.
3.1.1. 반도체 산업
생산성 향상 및 저장용량 확대를 위해 더 넓은 웨이퍼에 더 좁은 폭의 회로 패턴을 제작할 수 있는 미세가공 공정기술 개발에 나서고 있으며, 이 기술의 확보 여부가 기업 경쟁력 확보와 직결될 것으로 예상되고 있다.
이를 위한 핵심기술로 EUV(Extreme UltraViolet, 극자외선) 리소그래피가 각광받고 있으나 이를 구현하기 위한 가공시스템은 전 세계적으로 네덜란드 회사가 독점하고 있으며, 공정기술에 필요한 핵심소재인 고순도 포토레지스트는 일본 기업이 주로 생산하고 있다.
2019년 7월에 실시된 일본에 대한 수출규제 3개 품목 중 하나가 바로 이 포토레지스트이기 때문에 당분간 국내 반도체 업계가 어려움을 겪을 것으로 예상되며, 빠른 국산화가 요구되고 있다.
3.1.2. 디스플레이 산업
화질 향상을 위해 더 작은 크기의 화소를 제작할 수 있는 미세가공 공정기술 개발을 하고 있으며, 이와 더불어 고휘도/초박형 디스플레이 제작을 위한 마이크로 패턴 필름 제작용 미세가공 공정기술 개발도 동시에 수행하고 있다.
3.1.3. 휴대전화 산업
과거의 플라스틱 케이스에서 벗어나 고급 이미지의 메탈 케이스를 도입함에 따라 관련업계에서는 미세가공 공정기술 개발에 참여하였고, 케이스 표면 컬러 구현 등을 위해 새로운 미세가공 공정기술 개발을 수행하고 있다.
3.1.4. 태양광 산업
발전효율 향상에 사용되는 집광구조체 및 반사방지필름 등을 제조하기 위한 미세가공기술 확보에 힘쓰고 있다.
이러한 미세가공 공정기술 수요를 뒷받침하기 위하여 미세가공 시스템 업계에서는 대면적/고정밀도 미세가공이 가능한 시스템 개발이 지속적으로 이루어지고 있다.
3.2. 기술 동향
미세가공은 제작 가능한 크기 범위와 구현 가능한 형상제한이 있는 구조물 제작 기술이기 때문에 모든 분야에 적용 가능한 공정기술이 아니며, 새로운 형상과 재료가 등장할 때마다 새로운 고정밀도/고속/저원가의 공정기술 개발이 필요하다.
3.2.1. 초정밀 절삭 기술
초정밀 절삭기술은 다른 미세가공기술과는 달리 m 단위의 가공면적에서도 높은 정밀도를 확보할 수 있는 장점을 갖고 있기 때문에 가공면적을 지속적으로 확대하면서 가공크기 한계를 현재의 수 ㎛에서 수십 nm로 낮추는 기술 개발이 이루어지고 있다.
3.2.2. 레이저 가공 기술
레이저 가공기술은 펨토초 레이저 소스의 안정성 향상과 가공 폭 감소를 통한 가공크기 한계 극복 그리고 스캐너를 사용한 고속 가공 등의 방향으로 기술 개발이 이루어지고 있다.
3.2.3. 포토리소그래피
반도체 제조 핵심 공정으로, 포토리소그래피의 정밀도와 반도체 메모리 용량은 직결되는 인자이며, 최근에는 극자외선(파장 13.5nm)을 사용하는 EUV(Extreme UltraViolet) 리소그래피 기술이 반도체 공정에 적용되고 있다.
3.2.4. 표면 연마 기술
미세가공으로 제작하려는 형상의 크기가 작아지고 정밀도는 높아지면서 일부 분야에서는 미세가공 후 요구되는 표면 거칠기에 대한 기준이 10nm 수준에서 1~2nm 수준까지 낮아짐에 따라 미세가공 이후에 가공된 형상은 왜곡시키지 않으면서 표면 거칠기만 향상시킬 수 있는 표면 연마 기술 개발이 이루어지고 있다.
4. 업계 동향[7~9]
4.1. 해외 현황
미세가공 공정기술을 활용한 부품 및 제품 생산 업체로는 3M, intel, Micron(이하 미국), TSMC(대만) 등이, 미세가공 시스템 업체로는 ASML(네덜란드), Trumpf Group(독일), Fanuc, Toshiba(이하 일본) 등이 실질적으로 시장을 지배하고 있다.
3M은 미세가공을 사용하여 필름 표면에 마이크로 사이즈의 패턴이 있는 프리즘 필름을 세계 최초로 출시함으로써 디스플레이 휘도 향상에 기여하였고, 현재도 미세가공을 활용한 다양한 디스플레이용 필름을 시장에 내놓고 있다.
tsmc는 세계 1위의 반도체 파운드리 업체로서 파운드리 업계 점유율 50%를 달성하고 있으며, 2019년 2분기부터 EUV 기술을 본격 적용한 것으로 알려지고 있다.
intel은 지속적인 미세가공 고도화를 통해 세계 최고 수준의 마이크로프로세서를 지속적으로 시장에 공개하고 있다.
Micron은 2019년 중반에 공개한 DRAM 개발 로드맵에서 수십억 달러를 투자하여 13nm 공정 DRAM 양산 계획을 발표하였다.
ASMI는 차세대 포토리소그래피 미세가공 기술인 EUV 리소그래피 시스템을 전세계에 독점적으로 공급하고 있다.
TRUMPF Group은 레이저 가공 시 프로세스를 간소화할 수 있는 이미지 처리 프로그램을 출시하여 미세가공 정밀도 향상을 시도하고 있으며, 레이저 가공 시 초점을 자동으로 맞출 수 있는 프로그램을 개발하여 레이저 가공의 편의성을 높이고 있다.
FANUC는 기계적 미세가공 시스템에 들어가는 CNC 컨트롤러 분야에 독자적인 기술을 보유하고 있으며, 이를 통해 직접 미세가공 시스템을 개발하여 판매하고 있다.
TOSHIBA는 오랜 기간 기계적 미세가공 시스템을 개발해 왔으며, 지리적인 이점으로 인해 한국 내 많은 고객을 보유하고 있다.
4.2. 국내 현황
국내의 경우 반도체 및 디스플레이 산업이 세계적인 경쟁력을 가지고 있기 때문에 미세 가공기술을 활용한 부품 및 제품 분야에서는 강점을 가지고 있으나, 미세가공 시스템 산업에서의 기술 수준은 비교적 낮은 편이다.
미세가공 공정기술을 활용한 부품 및 제품 생산 업체로는 삼성전자, SK하이닉스, 엘엠에스, 제이피이 등이 있으며, 미세가공 시스템 업체로는 화천기공, 두산공작기계, 현대위아 등이 대표적으로 시장에 참여하고 있다.
삼성전자는 2018년 10월 EUV 리소그래피 공정을 기반으로 한 7nm 공정 상용화를 발표하였고, 2019년 4월 EUV 리소그래피 공정을 기반으로 한 5nm 공정 개발을 완료하였다.
SK하이닉스는 2018년 12월 EUV 리소그래피 전용공간인 M16 라인 건설을 시작하였고, 2020년 EUV 리소그래피를 이용한 양산 라인 가동을 계획하고 있다.
엘엠에스는 3M이 독점하고 있던 프리즘 필름을 국산화하는데 성공하여 소형 LCD용 광학필름 세계점유율 1위를 달성하였다.
제이피이는 기계적 미세가공기술을 활용하여 최대 크기 2.4m의 대형 롤금형 미세가공에 성공하였으며, 프리즘 패턴과 파도형 패턴 등 다양한 패턴을 갖는 필름을 양산하고 있다.
화천기공은 초정밀 절삭기술을 사용할 수 있는 머시닝센터 공작기계를 국내 최초로 개발하였으며, 공작기계와 더불어 가공 전에 미세가공 공정을 평가해볼 수 있는 시뮬레이션 프로그램도 개발하여 출시하였다.
두산공작기계는 다양한 형상의 미세가공을 고속으로 할 수 있도록 최대 120개의 공구를 보유할 수 있는 공구 매거진을 장착한 공작기계를 발표하였다.
현대위아는 현대자동차와의 협력을 통해 자동차용 알루미늄 휠 가공 전문 미세 가공 시스템을 출시하였다.
5. 시사점
미세가공에 대한 수요는 증가하고 있으나 기술적 한계점에 다다른 성숙기 후반 기술이기 때문에 새로운 돌파 기술이 개발되어야 한다.
국내외 반도체 업체들이 100조원 대의 투자계획을 발표하였기 때문에 높은 매출성장률이 예상되고 있으나, 미세가공 시스템의 해외의존도가 높기 때문에 국내 업체의 매출성장으로 이어질지에 대한 우려가 높아지고 있다.
반도체/디스플레이 산업의 승자독식 체제로 인하여 미세가공기술의 경우, 한 번 뒤처지면 업체 생존이 불확실해질 정도로 경쟁이 심화될 것으로 예상되며, 선진국에서는 이미 고도의 미세가공 시스템 기술을 확보하고 있으나, 후발국가에서는 미세가공 공정기술을 따라오고 있기 때문에 한국 업체들의 경쟁강도는 악화될 것으로 예상된다.
References
1. 2013 중소기업 기술로드맵-녹색제조-05 제조기반. 중소기업청, 2013.
2. 차체 소재 다변화에 따른 체결 및 접합기술. 대한용접-접합학회지 Vol. 33(3), 2015.
3. 금속과 플라스틱의 최신 접합기술. 대한용접-접합학회지, 2016.
4. 이종재료의 하이브리드 접합기술. 한국소성가공학회, 2010.
5. 경량자동차용 이종소재 접합기술 개발 동향. KEIT, 2017.
6. 자동차 소재의 진화 혁신의 동력은 기술의 융복합. LG경제연구원, 2014.
7. 다중소재(Multi-material Design) 전략의 시대가 온다. 포스코 경영연구원, 2018.
8. 자동차 경량화 접합기술 동향. 기술정보지, 2011.
9. Overview of Joining Dissimilar Materials: Metals and Polymers. Bulletin of the Transilvania University of Brasov, Series I: Engineering Sciences, Vol. 10, 2017.
미세가공은 전체 크기가 마이크로(micro) 사이즈인 부품 및 제품을 생산하거나, 전체 크기는 매크로(macro) 사이즈이면서 표면 또는 내부에 마이크로 사이즈의 구조물을 갖는 부품 및 제품을 생산하는데 사용되는 가공기술을 의미한다.
과거에는 전체 크기가 마이크로 사이즈인 부품 및 제품(마이크로 기어, 마이크로 모터 등)을 제작하는데 사용되는 가공기술을 의미하였으나, 현재는 표면이나 내부에 마이크로 사이즈의 패턴이 들어간 디스플레이용 광학필름과 반사방지 필름 등을 제작하는 가공기술도 의미한다.
미세가공을 통해 부품 및 제품 표면에 수십 ㎛ 이하 크기의 형상이 제작되면 형상이 없을 때와 대비하여 다양한 광특성과 전기특성 등을 보이기 때문에 재료의 물성 변화 없이 부품 및 제품 성능 향상을 이룰 수 있다.
대부분의 미세가공 기술은 재료를 제거하는 공정을 기반으로 하고 있으며, 최근에는 재료를 부가하는 공정을 기반으로 하는 미세가공 기술이 제시되고 있으나 분해능 및 생산성이 높지 않아서 소량 맞춤형 부품 및 제품 등에 일부 적용되고 있다.
미세가공기술은 공정을 수행하는데 필요한 미세가공시스템이 동반되어야 하며, 재료를 제거 또는 부가하는 에너지 인가 방식에 따라 기계적, 화학적 그리고 광학적 미세가공 등으로 구분할 수 있고, 최근에는 이러한 방식들을 혼합한 하이브리드 가공도 제시되고 있다.
본 리포트에서는 재료 제거공정기반 미세가공기술 중 산업계에서 널리 사용되는 기계적 미세가공기술과 광학적 미세가공기술의 기술 수준, 관련 산업 동향 그리고 시사점에 대해 소개하고자 한다.
2. 미세가공 기술[1~4]
2.1. 기계적 미세가공 기술
기계적 미세가공기술은 주로 재료와 공구 간의 접촉을 통해 전달된 에너지를 사용하여 재료를 제거하는 방식의 미세가공 공정기술로 적용되는 공구 및 에너지원에 따라 초정밀 절삭, 방전 가공, 초음파 가공 그리고 자기 연마 등으로 나누어진다.
2.1.1. 초정밀 절삭
초정밀 절삭은 특정 형상을 갖는 다양한 공구를 사용하여 가공물의 표면을 깎아내는 공정기술을 말하며, 가공시간이 짧고 가공된 부품 및 제품의 표면 상태가 우수하기 때문에 직가공 및 금형가공에 모두 널리 사용된다.
과거 절삭기술은 큰 크기의 형상 가공에 사용되기 때문에 미세가공에 적합하지 않다고 여겨졌으나, 최근에는 기계적 미세가공시스템 기술과 절삭공정기술이 모두 향상됨에 따라 수백 밀리미터 크기의 공작물을 나노미터 수준의 정밀도로 수 마이크로미터 크기의 형상을 가공하는 것이 가능해졌다.
특히 다른 기계적 미세가공기술 및 광학적 미세가공기술과 달리 가공형상 단면을 자유롭게 조절할 수 있는 장점을 갖고 있고 표면 거칠기가 매우 우수하기 때문에 빛 경로 제어가 중요한 초정밀 광학 및 디스플레이 산업 등에 널리 사용되고 있다.
2.1.2. 방전 가공
전기적 스파크의 열에너지를 이용하여 재료를 제거하는 방식의 미세가공 공정 기술로서 전도성 재료의 경우에는 재료의 강도에 무관하게 미세가공이 가능하기 때문에 기계적 미세가공기술 적용이 어려운 고경도 취성재료에 많이 사용된다.
와이어를 사용하는 미세와이어방전 가공기술의 경우에는 폭이 매우 얇은 와이어를 사용하기 때문에 고세장비 형상 가공에 널리 사용되며, 기계적 미세가공에 사용되는 초정밀 가공공구 제작에도 사용된다.
2.1.3. 초음파 미세가공 기술
18~20kHz의 초음파 진동을 진동공구에 인가하여 재료를 미세하게 제거하는 미세가공기술로서 전기가 통하지 않는 고경도 취성재료에 적용할 수 있는 장점이 있다.
2.1.4. 자기연마
입상의 자성연마입자에 자장을 인가하여 수직력을 부여하고, 공구를 회전시켜 접선력을 부여하는 연마방법이며, 형상 가공된 부품에 대해서 단시간에 효율이 높은 연마가공이 가능하므로 절삭공구의 날세움과 원통내면 연마 등, 고경도 재료의 표면품질을 높이기 위한 마무리가공에 적용되며, 일반적으로는 특정 기계적 미세가공기술을 사용하여 빠르게 미세가공을 한 후 자기연마 가공 등을 통해 표면에 발생한 버(burr) 등을 제거하여 표면 거칠기를 향상시키는데 사용된다.
2.2. 광학적 미세가공 기술
광학적 미세가공기술은 주로 파동에너지를 사용하여 재료를 제거하는 방식의 미세가공 공정 기술을 말하며, 적용되는 에너지원에 따라 레이저 가공, 포토리소그래피(Photolithography) 그리고 E-beam 가공 등으로 나누어진다.
2.2.1. 레이저 가공 기술
레이저를 적절한 집속 렌즈를 사용하여 수~수십 ㎛ 영역에 모은 후 이 영역에 집속된 높은 에너지를 흡수한 재료가 가열되어 용융 및 기화됨에 따라 재료가 제거되는 미세가공기술이다.
가공정밀도를 높이기 위해서는 레이저빔이 짧은 시간동안만 방출되는 펄스레이저를 사용하여야 하며, 펄스폭이 좁을수록 가공정밀도가 높아지는 장점을 갖고 있기 때문에 최근에는 펄스의 폭이 1,000조 분의 1초에 해당되는 펨토초 레이저(femtosecond laser)가 각광받고 있다.
기존의 레이저 가공은 가공 형상 주위에 열변형이 발생하고 투명한 재료는 가공할 수 없는 단점을 가지고 있었으나, 펨토초 레이저를 사용하게 되면 이러한 단점들을 극복할 수 있다.
또한 스캐너 기술이 발달함에 따라 고속 미세가공이 가능한 레이저 가공시스템이 시장에 등장하였고, 특히 다수의 구멍 가공에 널리 사용되고 있다.
2.2.2. 포토리소그래피
반도체 공정에서 사용하는 미세가공기술로서 마스크를 통과한 레이저빔이 감광제(Photoresist)와 반응하여 회로패턴을 생성하게 하는 미세가공기술로서 nm 크기 의 형상을 가공할 수 있는 장점이 있다.
포토리소그래피 공정으로 생성된 회로패턴은 식각 및 증착 등의 후 공정을 통해 최종 반도체 회로로 완성되기 때문에 후 공정이 항상 필요하지만, 동 기술의 경우, 업계에서는 미세가공기술 중 nm 사이즈의 가공형상 제작이 가능하고 양산성이 확보된 거의 유일한 공정기술로 여겨지고 있다.
2.2.3. E-beam 가공(전자빔 가공)
진공 챔버 내에 고온으로 가열된 필라멘트 음극으로부터 방출된 전자들을 가속시키고 매우 좁은 영역에 집속시킴으로서 전자와 재료 원자가 충돌하여 재료가 제거되는 방식의 미세가공기술이다.
전자 자체가 매우 작기 때문에 수십 nm 이하 크기의 패턴을 직가공할 수 있는 거의 유일한 방법이지만, 한편으로는 이러한 특성으로 인해 가공면적이 넓을수록 공정비용 및 가공시간이 기하급수적으로 증가하는 단점이 있다.
3. 산업 및 기술 동향[5~6]
3.1. 산업 동향
미세가공은 반도체, 디스플레이 그리고 전자제품 등의 기존 산업이 지속적으로 발전/확대되고 있기 때문에 기존 산업을 중심으로 지속적인 발전이 예상되며, 재료의 변경없이 표면 미세가공만으로 부품 또는 제품 특성이 향상되는 장점으로 인해 다른 응용산업으로의 확대가 기대된다.
3.1.1. 반도체 산업
생산성 향상 및 저장용량 확대를 위해 더 넓은 웨이퍼에 더 좁은 폭의 회로 패턴을 제작할 수 있는 미세가공 공정기술 개발에 나서고 있으며, 이 기술의 확보 여부가 기업 경쟁력 확보와 직결될 것으로 예상되고 있다.
이를 위한 핵심기술로 EUV(Extreme UltraViolet, 극자외선) 리소그래피가 각광받고 있으나 이를 구현하기 위한 가공시스템은 전 세계적으로 네덜란드 회사가 독점하고 있으며, 공정기술에 필요한 핵심소재인 고순도 포토레지스트는 일본 기업이 주로 생산하고 있다.
2019년 7월에 실시된 일본에 대한 수출규제 3개 품목 중 하나가 바로 이 포토레지스트이기 때문에 당분간 국내 반도체 업계가 어려움을 겪을 것으로 예상되며, 빠른 국산화가 요구되고 있다.
3.1.2. 디스플레이 산업
화질 향상을 위해 더 작은 크기의 화소를 제작할 수 있는 미세가공 공정기술 개발을 하고 있으며, 이와 더불어 고휘도/초박형 디스플레이 제작을 위한 마이크로 패턴 필름 제작용 미세가공 공정기술 개발도 동시에 수행하고 있다.
3.1.3. 휴대전화 산업
과거의 플라스틱 케이스에서 벗어나 고급 이미지의 메탈 케이스를 도입함에 따라 관련업계에서는 미세가공 공정기술 개발에 참여하였고, 케이스 표면 컬러 구현 등을 위해 새로운 미세가공 공정기술 개발을 수행하고 있다.
3.1.4. 태양광 산업
발전효율 향상에 사용되는 집광구조체 및 반사방지필름 등을 제조하기 위한 미세가공기술 확보에 힘쓰고 있다.
이러한 미세가공 공정기술 수요를 뒷받침하기 위하여 미세가공 시스템 업계에서는 대면적/고정밀도 미세가공이 가능한 시스템 개발이 지속적으로 이루어지고 있다.
3.2. 기술 동향
미세가공은 제작 가능한 크기 범위와 구현 가능한 형상제한이 있는 구조물 제작 기술이기 때문에 모든 분야에 적용 가능한 공정기술이 아니며, 새로운 형상과 재료가 등장할 때마다 새로운 고정밀도/고속/저원가의 공정기술 개발이 필요하다.
3.2.1. 초정밀 절삭 기술
초정밀 절삭기술은 다른 미세가공기술과는 달리 m 단위의 가공면적에서도 높은 정밀도를 확보할 수 있는 장점을 갖고 있기 때문에 가공면적을 지속적으로 확대하면서 가공크기 한계를 현재의 수 ㎛에서 수십 nm로 낮추는 기술 개발이 이루어지고 있다.
3.2.2. 레이저 가공 기술
레이저 가공기술은 펨토초 레이저 소스의 안정성 향상과 가공 폭 감소를 통한 가공크기 한계 극복 그리고 스캐너를 사용한 고속 가공 등의 방향으로 기술 개발이 이루어지고 있다.
3.2.3. 포토리소그래피
반도체 제조 핵심 공정으로, 포토리소그래피의 정밀도와 반도체 메모리 용량은 직결되는 인자이며, 최근에는 극자외선(파장 13.5nm)을 사용하는 EUV(Extreme UltraViolet) 리소그래피 기술이 반도체 공정에 적용되고 있다.
3.2.4. 표면 연마 기술
미세가공으로 제작하려는 형상의 크기가 작아지고 정밀도는 높아지면서 일부 분야에서는 미세가공 후 요구되는 표면 거칠기에 대한 기준이 10nm 수준에서 1~2nm 수준까지 낮아짐에 따라 미세가공 이후에 가공된 형상은 왜곡시키지 않으면서 표면 거칠기만 향상시킬 수 있는 표면 연마 기술 개발이 이루어지고 있다.
4. 업계 동향[7~9]
4.1. 해외 현황
미세가공 공정기술을 활용한 부품 및 제품 생산 업체로는 3M, intel, Micron(이하 미국), TSMC(대만) 등이, 미세가공 시스템 업체로는 ASML(네덜란드), Trumpf Group(독일), Fanuc, Toshiba(이하 일본) 등이 실질적으로 시장을 지배하고 있다.
3M은 미세가공을 사용하여 필름 표면에 마이크로 사이즈의 패턴이 있는 프리즘 필름을 세계 최초로 출시함으로써 디스플레이 휘도 향상에 기여하였고, 현재도 미세가공을 활용한 다양한 디스플레이용 필름을 시장에 내놓고 있다.
tsmc는 세계 1위의 반도체 파운드리 업체로서 파운드리 업계 점유율 50%를 달성하고 있으며, 2019년 2분기부터 EUV 기술을 본격 적용한 것으로 알려지고 있다.
intel은 지속적인 미세가공 고도화를 통해 세계 최고 수준의 마이크로프로세서를 지속적으로 시장에 공개하고 있다.
Micron은 2019년 중반에 공개한 DRAM 개발 로드맵에서 수십억 달러를 투자하여 13nm 공정 DRAM 양산 계획을 발표하였다.
ASMI는 차세대 포토리소그래피 미세가공 기술인 EUV 리소그래피 시스템을 전세계에 독점적으로 공급하고 있다.
TRUMPF Group은 레이저 가공 시 프로세스를 간소화할 수 있는 이미지 처리 프로그램을 출시하여 미세가공 정밀도 향상을 시도하고 있으며, 레이저 가공 시 초점을 자동으로 맞출 수 있는 프로그램을 개발하여 레이저 가공의 편의성을 높이고 있다.
FANUC는 기계적 미세가공 시스템에 들어가는 CNC 컨트롤러 분야에 독자적인 기술을 보유하고 있으며, 이를 통해 직접 미세가공 시스템을 개발하여 판매하고 있다.
TOSHIBA는 오랜 기간 기계적 미세가공 시스템을 개발해 왔으며, 지리적인 이점으로 인해 한국 내 많은 고객을 보유하고 있다.
4.2. 국내 현황
국내의 경우 반도체 및 디스플레이 산업이 세계적인 경쟁력을 가지고 있기 때문에 미세 가공기술을 활용한 부품 및 제품 분야에서는 강점을 가지고 있으나, 미세가공 시스템 산업에서의 기술 수준은 비교적 낮은 편이다.
미세가공 공정기술을 활용한 부품 및 제품 생산 업체로는 삼성전자, SK하이닉스, 엘엠에스, 제이피이 등이 있으며, 미세가공 시스템 업체로는 화천기공, 두산공작기계, 현대위아 등이 대표적으로 시장에 참여하고 있다.
삼성전자는 2018년 10월 EUV 리소그래피 공정을 기반으로 한 7nm 공정 상용화를 발표하였고, 2019년 4월 EUV 리소그래피 공정을 기반으로 한 5nm 공정 개발을 완료하였다.
SK하이닉스는 2018년 12월 EUV 리소그래피 전용공간인 M16 라인 건설을 시작하였고, 2020년 EUV 리소그래피를 이용한 양산 라인 가동을 계획하고 있다.
엘엠에스는 3M이 독점하고 있던 프리즘 필름을 국산화하는데 성공하여 소형 LCD용 광학필름 세계점유율 1위를 달성하였다.
제이피이는 기계적 미세가공기술을 활용하여 최대 크기 2.4m의 대형 롤금형 미세가공에 성공하였으며, 프리즘 패턴과 파도형 패턴 등 다양한 패턴을 갖는 필름을 양산하고 있다.
화천기공은 초정밀 절삭기술을 사용할 수 있는 머시닝센터 공작기계를 국내 최초로 개발하였으며, 공작기계와 더불어 가공 전에 미세가공 공정을 평가해볼 수 있는 시뮬레이션 프로그램도 개발하여 출시하였다.
두산공작기계는 다양한 형상의 미세가공을 고속으로 할 수 있도록 최대 120개의 공구를 보유할 수 있는 공구 매거진을 장착한 공작기계를 발표하였다.
현대위아는 현대자동차와의 협력을 통해 자동차용 알루미늄 휠 가공 전문 미세 가공 시스템을 출시하였다.
5. 시사점
미세가공에 대한 수요는 증가하고 있으나 기술적 한계점에 다다른 성숙기 후반 기술이기 때문에 새로운 돌파 기술이 개발되어야 한다.
국내외 반도체 업체들이 100조원 대의 투자계획을 발표하였기 때문에 높은 매출성장률이 예상되고 있으나, 미세가공 시스템의 해외의존도가 높기 때문에 국내 업체의 매출성장으로 이어질지에 대한 우려가 높아지고 있다.
반도체/디스플레이 산업의 승자독식 체제로 인하여 미세가공기술의 경우, 한 번 뒤처지면 업체 생존이 불확실해질 정도로 경쟁이 심화될 것으로 예상되며, 선진국에서는 이미 고도의 미세가공 시스템 기술을 확보하고 있으나, 후발국가에서는 미세가공 공정기술을 따라오고 있기 때문에 한국 업체들의 경쟁강도는 악화될 것으로 예상된다.
References
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