`균열` 원리 첫 응용 첨단 나노공정 기술개발
빙하나 건물의 붕괴, 지진으로 인한 도로 갈라짐 등은 모두 물질의 갈라진 틈새가 겉잡을 수 없이 벌어지면서 발생한다. 이런 `균열` 현상은 일반적으로 구조물 파괴로 이어져 지금까지 피해야 하는 대상으로 간주돼 왔다. 그런데 30대의 두 신진과학자가 균열에 숨은 과학적 원리를 응용하면 새로운 첨단 나노공정을 개척할 수 있다는 사실을 알아냈다.
특히 이 연구결과는 과학적 의미를 인정받아 세계적인 과학전문지 `네이처' 10일자에 표지논문으로 소개됐다.
이화여대 남구현 특임교수(33ㆍ초기우주과학기술연구소)와 KAIST 고승환 교수(38ㆍ기계공학과) 연구팀은 미세한 나노 구조물을 이용해 재료공학 분야의 오랜 난제 중 하나인 물질의 갈라진 틈새(균열)를 자유자재로 제어하는 기술을 개발했다고 9일 밝혔다.
모든 균열은 1∼2개 분자간의 결합이 끊어지면서 시작된다. 땅의 갈라짐 같은 거대한 균열도 결국 분자 결합보다 응력(외부에서 힘을 가할 때 재료 내부에서 저항하는 힘)이 커져 결합이 끊어지면서 시작된다. 그런데 분열의 발생과 확산은 종잡을 수 없어 이를 공학적으로 이용하거나 정밀하게 제어하는 게 힘들었다. 그러나 최근 균열이 원자 크기의 패터닝을 하는 데 가장 실현 가능한 접근법으로 주목받기 시작했다.
연구팀은 세계 연구자들이 기계, 건축물 등 거시적 관점에서 연구하는 데서 벗어나 분자결합의 단절이라는 미시적 현상에 집중했다.
고온 환경에서 얇은 실리콘 웨이퍼 위에 뾰족하게 튀어나온 바늘 모양 구조물(노치)을 만들고 그 위에 실리콘나이트라이드(질화규소) 박막을 형성시키자, 웨이퍼 내에 생긴 응력이 바늘 모양 구조물에 집중돼 그 지점에서 물결무늬 균열이 시작된다는 사실을 발견했다. 또 웨이퍼와 실리콘나이트라이드 사이에 실리콘다이옥사이드 층을 넣자 직선무늬 균열이 만들어졌다.
보통의 경우 이 균열은 멈출 수 없는데, 웨이퍼에 계단 모양 구조물을 만들자 구조물에서 균열이 멈췄다. 지금까지 제어가 불가능한 것으로 여겨졌던 균열을 원하는 지점에서 만들고 방향을 바꾸거나 중단하는 등 질서를 부여할 수 있게 된 것.
연구팀은 여기에서 멈추지 않고 실리콘에 폭 10나노미터(㎚), 높이 수 마이크로미터(㎛) 나노채널을 만들고, 이를 이용해 글씨를 쓰는 데도 성공했다. 이 기술은 반도체 회로선폭 한계 극복과 초소형 바이오칩 개발 등 나노패턴이 쓰이는 모든 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
남구현 교수는 "이 기술은 지금까지 나노패턴 제작에 가장 많이 쓰인 전자빔 식각공정으로 할 수 없는 대면적 고정밀도 나노공정 구현이 가능하다는 장점이 있다"며 "이 연구는 아이디어 기획부터 논문 발표까지 선진국의 선행연구나 기술 도움 없이 독자적으로 했다는 점에서 의미가 있다"고 밝혔다.
이 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자 지원사업의 지원 하에 이뤄졌다.
안경애기자 naturean@
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특히 이 연구결과는 과학적 의미를 인정받아 세계적인 과학전문지 `네이처' 10일자에 표지논문으로 소개됐다.
이화여대 남구현 특임교수(33ㆍ초기우주과학기술연구소)와 KAIST 고승환 교수(38ㆍ기계공학과) 연구팀은 미세한 나노 구조물을 이용해 재료공학 분야의 오랜 난제 중 하나인 물질의 갈라진 틈새(균열)를 자유자재로 제어하는 기술을 개발했다고 9일 밝혔다.
모든 균열은 1∼2개 분자간의 결합이 끊어지면서 시작된다. 땅의 갈라짐 같은 거대한 균열도 결국 분자 결합보다 응력(외부에서 힘을 가할 때 재료 내부에서 저항하는 힘)이 커져 결합이 끊어지면서 시작된다. 그런데 분열의 발생과 확산은 종잡을 수 없어 이를 공학적으로 이용하거나 정밀하게 제어하는 게 힘들었다. 그러나 최근 균열이 원자 크기의 패터닝을 하는 데 가장 실현 가능한 접근법으로 주목받기 시작했다.
연구팀은 세계 연구자들이 기계, 건축물 등 거시적 관점에서 연구하는 데서 벗어나 분자결합의 단절이라는 미시적 현상에 집중했다.
고온 환경에서 얇은 실리콘 웨이퍼 위에 뾰족하게 튀어나온 바늘 모양 구조물(노치)을 만들고 그 위에 실리콘나이트라이드(질화규소) 박막을 형성시키자, 웨이퍼 내에 생긴 응력이 바늘 모양 구조물에 집중돼 그 지점에서 물결무늬 균열이 시작된다는 사실을 발견했다. 또 웨이퍼와 실리콘나이트라이드 사이에 실리콘다이옥사이드 층을 넣자 직선무늬 균열이 만들어졌다.
보통의 경우 이 균열은 멈출 수 없는데, 웨이퍼에 계단 모양 구조물을 만들자 구조물에서 균열이 멈췄다. 지금까지 제어가 불가능한 것으로 여겨졌던 균열을 원하는 지점에서 만들고 방향을 바꾸거나 중단하는 등 질서를 부여할 수 있게 된 것.
연구팀은 여기에서 멈추지 않고 실리콘에 폭 10나노미터(㎚), 높이 수 마이크로미터(㎛) 나노채널을 만들고, 이를 이용해 글씨를 쓰는 데도 성공했다. 이 기술은 반도체 회로선폭 한계 극복과 초소형 바이오칩 개발 등 나노패턴이 쓰이는 모든 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
남구현 교수는 "이 기술은 지금까지 나노패턴 제작에 가장 많이 쓰인 전자빔 식각공정으로 할 수 없는 대면적 고정밀도 나노공정 구현이 가능하다는 장점이 있다"며 "이 연구는 아이디어 기획부터 논문 발표까지 선진국의 선행연구나 기술 도움 없이 독자적으로 했다는 점에서 의미가 있다"고 밝혔다.
이 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자 지원사업의 지원 하에 이뤄졌다.
안경애기자 naturean@
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