"추측에서 '계산'으로" KAIST, 반도체 공정 물방울 움직임 측정

반도체 공정에서 물방울의 움직임을 나노 크기에서 정밀 관찰하는 것이 가능해졌다.

반도체를 제조하는 과정에서는 물이나 액체가 표면에 얼마나 고르게 퍼지는지 그리고 얼마나 빠르게 마르는지가 품질을 좌우한다. 하지만 이러한 '젖음성'을 나노 크기에서 직접 관찰하는 것은 기술적으로 거의 불가능해 연구자 대부분이 추측에 의존해야 했다.

이 같은 문제를 해결, 표면 분석기술의 한계를 넘어설 차세대 연구 플랫폼 기술을 국내 연구팀이 개발했다. 나노 크기의 물방울이 표면과 만나는 과정을 처음으로 직접 관찰·측정하는 데 성공한 것이다.

(왼쪽부터) 신소재공학과 정의창 박사과정 학생, 홍승범 교수. KAIST 제공

KAIST는 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 서울대 임종우 교수팀과 공동으로 원자간력 현미경(AFM)을 이용해 나노 크기의 물방울을 실시간 직접 관찰해 물방울 모양을 기반으로 접촉각을 계산하는 기술을 개발했다고 2일 밝혔다.

공동연구팀이 개발한 기술은 나노 물방울의 실제 모습을 눈으로 확인, 물방울이 표면에 얼마나 잘 붙고 떨어지는지를 정밀하게 분석할 수 있게 한다. 이는 반도체 공정은 물론 수소생산 촉매, 연료전지, 배터리 등 공정에서 액체의 움직임이 성능을 결정하는 첨단기술 분야에서 즉시 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

젖음성 분석 기술은 최근 나노 크기에서의 정밀 측정에 무게 추가 실린다. 기존 방식으로는 수 '㎜' 크기의 큰 물방울을 사용해 표면의 물이 잘 스며드는 친수성, 물이 잘 안 퍼지는 소수성을 확인할 수 있었지만 나노 스케일에서는 물방울이 너무 작아 그 형태를 직접 관찰하기 어려웠다.

이에 공동연구팀은 공기 중 수증기가 얼지 않는 온도로 표면을 부드럽게 냉각해 자연스럽게 나노 물방울이 맺히도록 유도한 후 AFM의 비접촉 모드로 이를 관찰해 물방울의 원래 형태를 그대로 촬영하는 방식을 구현했다. 탐침이 닿기만 해도 변형되는 나노 물방울의 민감성을 고려해 정밀한 제어 환경을 마련한 덕분에 가능했던 결과물이다.

이 기술을 강유전 물질 리튬탄탈레이트(LiTaO₃)에 적용해 물질의 전기적 방향(분극)에 따라 나노 물방울의 접촉각이 달라지는 것도 처음 확인했다. 큰 물방울에서는 보이지 않던 이 차이는 나노 물방울이 표면의 전기적 상태에 매우 민감하다는 점을 보여준다.

비접촉모드로 나노 크기의 물방울을 영상화하는 과정 도식도. KAIST 제공

특히 공동연구팀은 수소 생산을 돕는 수전해 촉매(NiFeLDH)에도 해당 기술을 적용해 단일 나노 물방울을 관찰, 촉매 표면에서 물이 어떻게 반응하는지를 이해하고 기포가 얼마나 잘 떨어지는지 등 촉매 성능을 분석하는 데 활용될 가능성도 확인했다.

홍 교수는 "이번 연구는 원자간력 현미경으로 나노 크기의 물방울을 직접 시각화하고 접촉각까지 측정할 수 있는 것을 확인한 중요한 사례"라며 "공동연구팀이 개발한 기술은 그간 유관으로 확인하기 어렵던 나노 세계의 물방울 동작을 실시간으로 관찰, 차세대 에너지·전자 소재 개발을 위한 핵심 분석기술로도 활용될 수 있다"고 말했다.

한편 이번 연구에는 KAIST 신소재공학과 정의창 박사과정 연구원이 제1 저자로 참여했다. 연구 결과(논문)는 미국 화학학회(American Chemical Society·ACS)가 발간하는 신소재·화학공학 분야 학술지 'ACS 응용 소재 및 인터페이스(ACS Applied Materials and Interfaces)'를 통해서도 최근 소개됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr