[알기쉬운 과학속으로]표면기술이 선도하는 과학세계


인류의 발전은 과학과 더불어 발전되어 왔다. 이러한 과학 학문의 발전이 21세기 정보화 사회를 창출하였다. 과학은 실제 현상에 대한 설명을 정량화된 측정량을 통하여 설명력을 더해갈 수 있다.

표면 현상에 대한 연구를 하는 표면과학 역시 액체의 표면에 작용하는 힘의 정량적인 측정을 시작으로 자체의 견고한 설명력을 갖게 되었다. 그리고 그 시작에는 아그네스 포켈스(Agnes Luise Wilhelmine Pockels:1862~1935)라는 독일 가정주부의 공헌을 빼놓을 수 없다.

그녀는 처음으로 표면장력을 정량적으로 측정 하기위하여 싱크대에서 단추를 이용해 힘의 균형을 측정하는 '포켈 수조(tin water trough)'를 제작하였다. 그 수조를 이용한 그녀의 부엌에서 10여년간의 실험을 묶어서 1891년 네이쳐에 게재하였다. 그 후 총 16편의 연구논문을 발표하였다.

정보화 시대에서 집적화된 소자의 필요성이 대두되었고, 이러한 요구에 따라 표면의 극미세 구조에 대하여 연구자들의 관심이 집중되었다. 실제 표면의 극미세 구조에 대한 본격적인 연구는 양자역학적 효과인 터널링 효과를 이용하여 원자 구조에 대한 이미지화를 가능하게 했던 주사 터널링 현미경(Scanning Tunneling Microscopy)의 발견으로 부터 가능하게 되었다.

오늘날 소자의 소형화와 더불어 초박막과 다층박막의 필요에 따라 박막의 표면이 소자의 전체 특성을 좌우하는데 결정적인 역할을 하기 때문에 표면과학의 연구는 중요하다고 할 수 있다. 예로 반도체 특성을 나타내는 실리콘(Si)은 오늘날 박막의 기판으로 각광받는 소재이다. 이러한 Si 기판을 대기 중에 노출하면 자연적으로 약 2 nm의 산화층(오염된 층)이 형성된다는 것을 많은 연구자들은 투과전자현미경을 이용하여 관찰하였다.

이러한 수치는 초박막의 두께 혹은 다층 박막의 한층 보다 두꺼운 층이 공기 중의 오염으로 발생한다는 것이다. 이러한 오염은 소자의 성능저하에 기여하게 된다. 그러므로 박막 표면의 변화 및 처리 그리고 표면 분석은 첨단 과학에 있어서 중요한 연구 과제이다.

이러한 산화는 표면 처리를 통해 방지할 수 있다. 특히 오늘날 표면처리는 유기물과 무기물, 이종 접합 소자의 구현을 위하여 계면의 접착력 향상, 치아 이식용 임플란트 제조 공정에서 잇몸과의 접촉면적의 확대, 그리고 청정에너지인 태양에너지를 활용하기 위하여 소자의 접촉면적의 확대 등을 위하여 표면 처리기술이 중요하게 대두 되고 있다.

표면에서의 극 미세 구조는 양자선 및 양자점에 해당하는 구조를 지칭한다. 흔히 말하는 양자점이나 양자선 등의 구조는 그 크기가 수 미터에서 서브 나노미터(sub-nanometer, 1나노미터 미만) 에 해당하는 규모(scale)에서의 현상이다. 양자선의 구조에 대한 연구는 물질의 성질에 대한 가장 근본적인 시점에서 출발하여 이들의 여러 가지 특성을 연구하는 데 없어서는 안 되는 것들이다.

현재의 박막 성장기술 연구는 초기상태의 현상을 설명하려는 노력이 대부분이라고 해도 과언이 아니다. 최근에 추측만이 가능하였던 초기상태의 박막의 성장 형상을 관찰할 수가 있었기 때문이다. 나노(nano) 구조의 특성 평가 기술에 힘입어 박막의 초기성장에 중요한 영향을 미치는 변수를 찾아내고 이를 이용한 나노 구조를 제작하는 기술은 차세대의 새로운 장치(device)를 만드는 데 필수적인 기술의 하나이며 실제로 많은 곳에서 시스템 개발에 노력하고 있다.

21세기 표면과학 연구는 나노미터(nanometer, 10억분의 1미터)에서 서브 나노미터 (sub-nanometer, 1나노미터 미만) 정도의 크기를 가지며, 다양한 표면과학의 연구 기구 및 기법을 이용하여 경계면의 구조, 물리, 화학적 특성을 분석할 수 있으며 이에 근거하여 경계면을 제어하는 기술개발을 추진할 수 있을 것이다. 따라서 기초과학과 첨단공학의 상호 협력이 필수적인 분야라 할 수 있다.

오늘날 표면과학 분야에서 활용되고 있는 첨단 기구로는 주사탐침현미경(STM), X-선 광전자 스펙트럼(XPS), UV 광전자 스펙트럼(UPS), Auger 전자 스펙트럼(AES), 이온 산란 스펙트럼(ISS), 그리고 이차 이온 질량 스펙트럼(SIMS) 등을 열거할 수 있다. 열거한 장비는 화학적 동정이나 화학적 결합에너지, 띠구조 등을 분석 할 수 있는 첨단 장비로서 표면과학연구에서 절대적인 분석 장비이다.

/김종필 박사(한국기초과학지원연구원 부산센터 나노표면기술연구팀)








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