KAIST, 미래 반도체 소재 '나노 분석 정확도' 획기적으로 높였다

기술개발 연구진. 왼쪽부터 KAIST신소재공학과의 김연규 박사과정, 엄성문 박사과정, 홍승범 교수.

한미 공동 연구진이 머리카락 두께 수만 분의 1도 관찰할 수 있는 초정밀 현미경을 활용, 특수 전자소자 측정시 발생하는 오차 원인을 밝혀냈다. 이번 연구는 반도체, 메모리 소자, 센서 등에 활용되는 나노 소재 특성을 정확하게 분석해 관련 기술 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다.

한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 홍승범 신소재공학과 교수팀이 레인 마틴 미국 버클리대 교수팀과의 국제 공동연구로 주사탐침현미경 측정 최대 난제였던 신호 정확도 저해 핵심 요인을 규명하고 이를 제어하는 획기적인 방법을 개발했다고 18일 밝혔다.

연구진은 그동안 측정 대상 물질 특성으로 여겨졌던 오차가, 실제로는 현미경 탐침과 시료 표면 사이 비접촉 유전 간극에서 비롯된 것이었다. 이 간극은 측정환경에서 쉽게 변조되거나 오염물질로 채워져 전기적 측정에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.

연구진은 물과 같은 고유전율 유체를 이용해 이 간극을 채우는 방법을 고안, 나노스케일 분극 전환 전압 측정 정밀도를 8배 이상 향상시켰다. 이런 접근은 기존 대칭 커패시터 구조에서 얻은 결과와 거의 일치하는 값을 얻을 수 있어, 강유전체 박막 특성 분석에 새로운 장을 열 것으로 기대되고 있다.

나노 유전 간극이 주사탐침현미경에서 작용되는 개략도

특히 연구진은 규칙적으로 위아래 전기적 특성이 정렬된 리튬 니오베이트(PPLN) 물질에 물을 매개체로 사용해, 고정밀도 압전 반응력 현미경(PFM: 물질의 미세 전기적 특성을 관찰하는 특수 현미경) 측정에 성공했다.

물로 제어된 유전 간극에서는 다른 분극 신호 간 비대칭성이 4% 이하까지 떨어지는 것을 확인했다. 이는 물 분자가 표면 전하를 중화시켜 정전기력 영향을 최소화한 결과로 분석된다. 이는 마치 건조한 겨울철에 발생하는 정전기를 물로 없앨 수 있는 것과 비슷한 원리다.

홍승범 교수는 “이번 발견은 미세 탐침을 활용한 나노스케일 측정 기술의 불확실성 문제를 해결할 수 있는 기반 연구며, 강유전체뿐만 아니라 다양한 기능성 재료의 전기적 특성 분석에 널리 적용될 수 있을 것”이라고 전망했다.

엄성문 KAIST 신소재공학과 박사과정이 제 1저자로, 김연규 박사과정이 공저자로 참여한 이번 연구 결과는 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈에 9월 2일 자 출판됐다.

한편 이번 연구는 한국연구재단과 KAIST 글로벌 특이점 사업 지원 및 미국 연구진과의 국제공동 연구를 통해 수행됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com

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