먼저 소개하고자 하는 NIL는 엘라스토머 몰드(Elastomer mold)를 유동성이 있는 나노 물질 혹은 레지스트(Resist) 위에 압력을 가해 찍어내는 방식이다.[18] 레지스트를 패터닝 하는 방법의 경우, 레지스트를 경화시키는 방법에 따라 UV경화, 열경화(Thermal) 2가지로 나눌 수 있다(Fig. 3(a,b)).[19,20] 이런 간단한 원리 덕분에 NIL 기법은 엘라스토머 몰드 와 기판(Substrate)의 형태만 바꿔 간단하게 대면적 합성에 용이하게 하는 것이 가능한데, 몰드와 기판의 형태에 따라 Plate-to-plate (P2P),[21] Roll-to-plate (R2P),[22] Roll-to-roll (R2R)[23]로 구분할 수 있다(Fig. 3(c-e)). P2P의 경우 가장 간단한 NIL 형태에 해당하고 R2P나 R2R의 경우 롤러(Roller) 형태의 몰드를 사용해 연속적으로 대면적 패터닝을 하는 것이 특징이다. NIL은 레지스트뿐만 아니라 나노 소재에도 직접 적용할 수 있으며, 이에 대한 연구 사례는 다양하게 보고되고 있다.[24] 나노 입자와 같은 0차원 소재의 경우 NIL을 수행하기 위해서 어느 정도의 유동성을 가진 형태로 가공하는 과정이 필요한데, 경화 수지(Curable resin)에 나노 입자를 혼합하는 방법이 대표적으로 활용된다(Fig. 4(a)).[25] 적절한 나노 입자와 수지의 혼합비를 사용하여 몰드로 형상을 만든 후 UV 혹은 열을 이용해 수지를 굳힌 다음 몰드를 제거하면 원하는 패턴을 간단하게 구현할 수 있다(Fig. 4(b)). 엘라스토머 몰드를 사용하는 NIL 중에는 몰드가 단순한 틀 이상의 역할을 하는 연구도 다수 보고되었다. 몰드 제작에 흔히 사용되는 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)의 경우 유기용매를 흡수하는 성질이 있는데,[26] 이 원리를 사용하면 NIL을 진행했을 때 생길 수 있는 잔여물(residue)을 줄일 수 있다. PDMS에 아이소프로판올 (Isopropanol) 처리를 하면 “like dissolves like principle”[27]에 따라 은 (Ag) 잉크에 있던 에탄올(Ethanol)이 PDMS 안으로 흡수되어 residue가 감소하고 해상도가 높아지는 효과가 있다(Fig. 4(c)).[28] 이러한 원리는 나노 입자뿐만 아니라 2차원 소재의 NIL 공정에도 응용이 가능하다. 맥신 (MXene)이 분산된 톨루엔(Toluene) 용액과 PDMS를 사용해 NIL을 수행할 경우 유기용매인 톨루엔이 PDMS 안으로 침투하면서 PDMS가 부풀어 오르게 된다. 이 과정에서 부풀어 오른 PDMS가 맥신을 수직으로 정렬시키게 되는데, 이후에 톨루엔을 증발시키고 나면 그림과 같이 수직으로 정렬된 맥신 패턴을 얻을 수 있다(Fig. 4(d)).[29]

CFL은 NIL과 달리, 압력을 가하지 않고 모세관 현상을 이용해 패턴을 형성하는 기법이다.[30] NIL보력을 요구하기 때문에 나노 소재나 유연 기판의 손상을 최소화하는 기법이라 할 수 있다. CFL을 통해 수직 나노패턴을 만드는 경우 패턴 높이를 정밀하게 조절하는 것이 중요한데, 이를 빛을 이용해 제어한 연구가 보고되었다. 해당 연구는 고분자 나노픽셀의 높은 수직 해상도를 기반으로 그레이스케일 프린팅(Grayscale printing)을 구현했다.[31] 모세관 충진 폴리머(apillary filling polymer)에 UV를 조사하면 조사량에 따라 충진 폴리머 내의 산소 분포가 변하게 되며, 이는 최종적으로 폴리머의 두께를 조절한다. 이후 경도가 높은 h-PDMS[32]를 mold로 사용해 CFL을 진행하게 되면 UV 조사량에 따라 영역별로 높이가 다른 나노 텍스처(Nano texture) 제작이 가능하다(Fig. 5(a)). 이처럼 모세관 현상을 활용하면 독특한 구조를 간단히 제작할 수 있으며, Fig. 5(b)에 제시된 격자 구조가 그 예이다. 해당 연구에서는 모세관 현상을 이용한 패터닝 기법으로, 기판에 새겨진 홈에 의해 표면장력 차이가 발생하게 되며 용액 내 입자가 모세관 힘에 의해 유도되는 원리다.[33] CFL의 또 다른 장점은 간단한 공정을 통해 3차원 구조를 제작할 수 있다는 것이다. Fig. 5(c)와 같이 경화 과정을 2단계로 나누어 1차 부분 경화로 패턴을 형성한 뒤, 새로운 몰드를 이용한 2차 경화를 통해 3차원 구조를 형성할 수 있다.[34] 이는 포토리소그라피보다 간단한 공정으로 상대적으로 쉽게 3차원 구조를 구현할 수 있다. CFL은 앞서 언급한 NIL 와 마찬가지로 나노 소재와 레지스트가 섞인 형태의 물질을 쉽게 패터닝 할 수 있다. 예를 들어 은 나노 와이어 (AgNW) 용액을 스핀코팅(Spin coating) 한 후 위에 PDMS 몰드를 덮고 가장자리에 UV 경화 하이드로젤(Hydrogel) 용액을 떨어뜨려 모세관 힘을 통해 몰드의 패턴 내부로 충진 시킨다. UV 경화가 끝나면 에탄올 세척을 통해 경화된 하이드로젤과 AgNW가 제거되며, 하이드로젤이 없는 부분에만 AgNW 패턴이 남게 된다(Fig. 5(d)).[35] 추가적으로 CFL은 NIL과 마찬가지로 공정과정에 Roller를 적용해 연속적인 대면적 패터닝을 하는 연구도 보고되었다(Fig. 5(e)).[36]

NIL과 CFL 기법 모두 재활용 가능한 몰드를 사용하는 간단한 공정으로 비용 효율성이 뛰어나지만, 해상도, 균일성, 정밀도 측면에서는 극자외선(EUV)을 사용하는 포토리소그라피에 미치지 못한다. 따라서 NIL과 CFL기법은 간단한 공정과 비용 효율성을 요구하는 중저해상도 응용 분야에서 강점을 발휘한다.

SSL는 유연한 엘라스토머 소재를 스텐실 마스크로 사용하여 특정 패턴을 기판에 형성하는 기술이다.[37] SSL은 포토리소그라피처럼 일종의 마스크를 사용해 패턴을 형성하는 공정이라는 점에서 유사하지만, 노광이나 PR과 같은 화학적 마스크를 필요로 하지 않고 스텐실 마스크를 사용하여 간단하게 패턴을 형성한다는 점에서 차별화된다.[38] 또한 SSL은 유연한 마스크를 사용할 수 있다는 점에서, 비평면 기판이나 유연 기판에서도 패턴을 형성할 수 있는 장점이 있다. Fig. 6(a)는 폴리메타크릴산메틸 (Polymethyl methacrylate, PMMA) 을 사용한 반데르발스 (Vander Waals, vdW) SSL에 대한 모식도를 나타낸다. 해당 연구에서는 PMMA 기반 스텐실 마스크를 제작하여 2차원 소재 위에 vdW 상호작용을 이용해 물리적으로 접촉시킨다. PMMA의 유연한 특성은 마스크와 2차원 물질 사이에 밀착 접촉을 가능하게 한다.[39] 이 스텐실 마스크를 이용해 금속 증착을 진행한 뒤, 마스크를 물리적으로 제거하면 잔여물이 거의 없는 고해상도 패턴을 형성할 수 있다. vdW SSL에는 화학적 처리가 불필요하기 때문에 2차원 소재의 손상을 최소화할 수 있으며, 고온 및 고에너지 공정을 피할 수 있다.[40] 또한, 60 nm 수준의 초고해상도 패터닝을 구현할 수 있어 포토리소그라피와 유사한 해상도를 제공한다.

또 다른 형태의 SSL 기법을 활용한 예로 두께 3∼15 μ m의 유연한 실리콘 섀도우 마스크(Shadow mask)와 PDMS를 결합한 연구가 있다(Fig. 6(b)).[41] 이 기술은 실리콘-온-인슐레이터(SOI) 웨이퍼의 박막 디바이스 층을 기반으로 하며, PDMS 스탬프를 이용한 전사 프린팅(Transfer Printing)을 통해 섀도우 마스크를 다양한 기판에 정밀하게 배치하는 방식이다. PDMS를 활용해 박막 형태의 섀도우 마스크를 정밀히 제어함으로써, 기존 섀도우 마스크의 낮은 해상도 문제를 극복하였다. 또한, 기존 포토리소그라피가 가지는 고에너지 사용 및 잔여물 문제를 해결하였으며, 해당 연구에서는 평면 및 곡면 기판에 유기박막 트랜지스터(OTFT)를 제작해 전기적 특성을 검증하였다.[41]

SSL 기법은 다양한 기판에서 사용이 가능하다는 점에서 매우 유연한 기술로 평가받고 있다. 또한 손상에 민감한 기판이나 안정성이 낮은 재료의 패터닝 과정에 안정적으로 적용될 수 있다. 하지만 광범위한 응용을 위해서는 스텐실의 해상도와 내구성 확보라는 과제를 해결할 필요가 있다.

MCL는 표면에 잉크 패턴이 형성된 엘라스토머 스탬프를 사용하며, 잉크 패턴을 스탬프 표면에서 기판으로 접촉을 통해 전사하는 기술에 기반한다.[42] 복잡한 장비 없이 간단한 공정으로 물리적 패턴을 제작할 수 있다는 장점 덕분에 나노 소재 패터닝, 바이오센서 제작, 단백질 또는 DNA와 같은 바이오 물질 전사, 그리고 나노 광학 소자 및 전자 소자 제작 등 다양한 응용 분야에서 활용된다.[43] Fig. 7(a)는 MCL에 대한 모식도로, 그림과 같이 양각 형태의 스탬프를 사용하는 방법이 대표적이다.[44] MCL은 NIL이나 CFL과 유사하게 나노 소재를 직접 스탬프에 패터닝한 뒤 전사를 하는 방식으로 수행할 수 있다. Fig. 7(b)에서는 CNT를 액체 파라핀(Paraffin)과 혼합해 슬러리(Slurry)로 만들고, 2개의 PDMS 몰드를 사용해 거푸집을 만든다. 이후 상단 PDMS를 사용해 목표 기판에 CNT 패턴을 전사할 수 있다.[45]

MCL은 대면적 패터닝이 가능하고 다양한 재료와의 높은 호환성을 보여주는 장점을 가지지만 기존 포토리소그라피에 비해 상대적으로 낮은 해상도를 보이는 한계가 있다. 또한, 공정 반복 시 엘라스토머 스탬프가 변형될 가능성이 있으며, 이러한 변형은 패턴의 일관성을 저하시키고 공정 결과에 변동성을 초래할 수 있다. 따라서 스탬프 소재 개선과 공정 안정화 기술 개발이 요구된다.

LATL은 레이저와 스탬프를 사용해 목표 물질을 원하는 모양으로 전사하는 기술이다. 스탬프의 접착력을 레이저로 제어하며, 낮은 온도에서 작동해 민감한 소재나 복잡한 기판에도 적용할 수 있다.[46] 대표적인 LATL 방식은 형상 기억 폴리머(Shape memory polymer, SMP)와 근적외선(Near-infrared) 레이저를 결합해 접착력을 제어하고 정밀한 패턴 전사를 구현하는 것이다. Fig. 7(c)와 같이 SMP 스탬프를 제작해 목표 소재를 pick-up 한 후 레이저를 이용한 열 활성화를 통해 선택적으로 소재를 패터닝 할 수 있다. 낮은 온도에서 작동해 민감한 기판과 잉크의 손상을 최소화할 수 있다는 장점이 있다.[47] SMP를 사용하지 않고 레이저 만을 사용해 LATL을 수행한 연구 결과도 있다. Fig. 7(d)와 같이 수직 정렬된 CNT 상단에 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC) 기판을 위치시키고 레이저를 사용해 국소적으로 열을 발생시키면 CNT와 PC기판 사이 접착력이 강화되어 원하는 패턴의 선택적 제거가 이루어진다.[48] 레이저에 의한 열 발생이 국소적으로 이루어지기 때문에 기판의 손상을 최소화하면서 고해상도 대면적 패턴 형성이 가능하다.

LATL은 민감한 소재와 복잡한 기판에서 손상을 최소화하면서 작동할 수 있으며, 전체적으로 단순한 공정이라는 장점을 가진다. 다만 스탬프의 내구성 및 해상도 측면에서 제약이 있을 수 있으며 광범위한 사용을 위해서는 추가적인 개선이 필요하다.

마지막으로 소개할 소프트 리소그라피 기법은 ITL이다. 이 기법의 가장 큰 특징은 음각법 (Intaglio)을 사용하여 기존 양각법 대비 패턴 해상도를 향상시킨다는 것이다. 음각 구조는 목표 물질이 스탬프 가장자리에서 정확히 분리되고 전사되도록 유도하는 반면, 양각법에서는 스탬프의 구조가 응력 집중을 초래해 패턴 변형 및 해상도 저하를 유발하기 때문이다.[2] Fig. 8(a)와 같이 잉크 형태의 소재를 사용할 경우 롤러에 잉크를 도포한 훈 음각 스탬프에 접촉시켜 패턴을 형성한 후 목표 기판에 전사하는 방식이 있다. 해당 연구는 음각 스탬프를 활용하여 구리 나노 와이어(Copper nanowire) 잉크를 고해상도로 패터닝 하였으며, 반 건조된 잉크 필름에서 음각 스탬프와 접촉한 부분은 제거되고 남아있는 부분만 목표 기판으로 전사된다.[49] 이 기법은 투명 전극과 같은 고성능 소자 제작에 활용될 수 있다. 음각 스탬프의 역할로 PR을 활용한 독창적인 연구도 있다. 해당 연구는 PDMS 기판을 단독으로 사용하지 않고 위에 PR을 스핀코팅하고 노광을 통해 음각 패턴을 형성하는 방식으로 스탬프를 제작했다(Fig. 8(b)). 이렇게 제작한 스탬프를 QD 필름 위에 접촉시키면 음각 영역에 해당하는 QD 영역만 선택적으로 남게 되는데, 이 연구는 PR이 PDMS에 비해 높은 영률 (Young’ smodulus)을 가져 해상도를 향상시키고 QD 와의 접착력이 더 우수하다는 특성을 적극적으로 활용하였다.[50] 해당 연구는 기존의 PDMS 스탬프를 활용한 방법 대비 정밀성과 패턴 품질을 대폭 개선할 수 있음을 보여준다. 음각 스탬프를 활용하여 고해상도 QLED를 제작한 연구도 보고되었다(Fig. 8(c)). 이 연구에서는 먼저 QD 층을 평탄한 PDMS 스탬프를 이용해 도너(Donor) 기판에서 픽업(Pick-up)했다. 이후, 실리콘 음각 스탬프에 저압으로 접촉한 후 천천히 분리하여 PDMS 스탬프 위에 QD 잉크가 선택적으로 남도록 하였다. 최종적으로 형성된 RGB QD 패턴을 조합해 QLED를 제작하였다.[2] 이러한 방식은 기존 구조화된 스탬프를 사용하는 방법에 비해 고해상도의 픽셀 정렬과 높은 전사 효율을 달성할 수 있음을 보여주며, 차세대 디스플레이 기술에서 필수적인 초고해상도 RGB QD 배열 제작에 대한 가능성을 제시하였다.[2]

ITL은 음각법을 사용한다는 특징 덕분에 전사 공정이 포함된 소프트 리소그라피 기법 중 가장 높은 해상도와 정밀도, 균일성을 제공한다. 또한 전사 원리가 물질간 접착력 차이를 기반으로 하기 때문에 상대적으로 간단한 공정이라는 특징을 가진다. 하지만 물질간 접착력 차이가 충분하지 않을 경우에는 오히려 전사 효율이 저하될 수 있기 때문에 조건 최적화가 필수적이다. ITL은 특히 유연 전자소자나 웨어러블 디바이스, 디스플레이와 같은 분야에서 특히 유용한 기술로 주목받고 있다.