나노 통로에서 물질 전달 특성 모습. 울산대학교 제공
울산대학교 기계공학부 김보흥 교수
울산대학교(총장 오연천) 기계공학부 김보흥 교수 연구팀이 1나노미터(㎚) 이하의 극도로 좁은 공간에서 분자가 이동하는 원리를 규명하고, 물질전달 특성을 예측할 수 있는 새로운 이론적 기반을 제시했다.
이번 연구는 차세대 반도체의 세정·식각·증착·박막 형성 등 초미세 공정에서 나타나는 분자 수준의 물질전달 현상을 이해하고 공정 조건을 설계하는 데 활용될 것으로 기대된다.
연구 결과는 '1나노미터이하 유체수송, 점성보다 분자마찰이 지배(Molecular Friction Trumps Viscosity in Angstrofluidic Transport)'라는 제목으로 나노과학 분야 국제학술지 Small(인용지수IF: 11.8)에 연구의 우수성을 인정받아 표지논문으로 선정됐다.
반도체 공정이 1나노미터 수준으로 미세해지면 액체나 기체가 이동하는 공간도 분자 몇 개가 겨우 통과할 정도로 좁아진다. 이 같은 극한 환경에서는 물질을 연속적인 유체로 보는 기존 유체역학만으로 분자의 움직임을 정확히 설명하기 어렵다.
연구팀은 탄소나노튜브와 같은 초미세 통로에서 분자들이 한 줄로 이동하는 단일열 수송(single-file transport) 현상을 분자동역학 시뮬레이션으로 분석했다. 그 결과 일반적인 유체에서는 중요한 역할을 하는 '점성'보다 분자와 통로 벽면 사이에서 발생하는 '마찰'이 물질의 이동을 결정하는 핵심 요인임을 밝혀냈다.
또 통계역학적 분석을 통해 개별 분자의 움직임으로부터 장시간의 물질전달 특성을 예측할 수 있는 방법을 제시했다. 이를 통해 기존 이론으로 설명하기 어려웠던 1나노미터 이하 공간에서의 물질 이동을 정량적으로 해석할 수 있는 기반을 마련했다.
이번 연구는 초미세 공간의 물질전달 현상을 분자와 표면 사이의 마찰을 중심으로 설명하는 새로운 접근법을 제시했다는 데 의미가 있다. 향후 반도체 제조공정에서 유체의 종류와 표면 특성, 구조에 따른 물질전달 특성을 사전에 예측해 반복적인 실험과 시행착오를 줄이는 데 활용될 수 있다.
김보흥 교수는 "1나노미터 이하에서는 기존 유체역학으로 설명하기 어려운 새로운 물리현상이 나타난다"며 "이번 연구는 분자와 표면 사이의 마찰을 바탕으로 초미세 공간의 물질전달을 예측할 수 있는 새로운 해석 틀을 마련했다는 데 의미가 있다"고 말했다. 이어 "이러한 원천 이론이 반도체 제조·공정 기술과 접목되면 차세대 초미세 공정의 설계 정확도를 높이고 연구개발에 필요한 시간과 비용을 줄이는 데 기여할 것으로 기대한다"고 덧붙였다.
이번 연구는 울산대 김보흥 교수가 교신저자를 맡고 기계자동차공학부 Jaber Al Hossain 박사과정생이 제1저자로 참여했으며, 미국 테네시대 채터누가캠퍼스와 인도공과대학교 카라그푸르 연구진이 공동으로 수행했다. 연구는 과학기술정보통신부 국가반도체연구실지원핵심기술개발사업(NSL)과 InnoCORE 사업의 지원을 받았다. 김미영기자 lalala4090@
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