울산대 김보흥 교수팀, 1나노 이하 물질 이동 원리 규명

(울산=뉴스1) 조민주 기자 = 울산대학교는 김보흥 기계공학부 교수 연구팀이 1나노미터(㎚) 이하의 극도로 좁은 공간에서 분자가 이동하는 원리를 규명하고 물질전달 특성을 예측할 수 있는 이론적 기반을 제시했다고 10일 밝혔다.

연구 결과를 담은 논문은 나노과학 분야 국제학술지 '스몰'(Small)의 표지 논문으로 선정됐다. 제목은 '1나노미터 이하 유체 수송, 점성보다 분자 마찰이 지배'이다.

연구팀에 따르면 반도체 공정이 1나노미터 수준으로 미세해지면 액체나 기체가 지나는 통로도 분자 몇 개가 겨우 통과할 정도로 좁아진다.

이런 환경에서는 물질을 연속적인 유체로 보는 기존 유체역학만으로 분자의 움직임을 설명하기 어렵다.

연구팀은 탄소나노튜브 같은 초미세 통로에서 분자들이 한 줄로 이동하는 단일열 수송(single-file transport) 현상을 분자동역학 시뮬레이션으로 분석했다.

그 결과 일반적인 유체에서 큰 역할을 하는 점성보다 분자와 통로 벽면 사이에서 생기는 마찰이 물질 이동을 결정하는 핵심 요인인 것으로 나타났다.

연구팀은 통계역학적 분석을 통해 개별 분자의 움직임에서 장시간의 물질전달 특성을 끌어내는 예측 방법도 제시했다.

기존 이론으로 설명하기 어려웠던 1나노미터 이하 공간의 물질 이동을 정량적으로 해석할 수 있는 틀을 마련한 셈이다.

울산대는 이번 연구가 차세대 반도체의 세정·식각·증착·박막 형성 등 초미세 공정에서 나타나는 분자 수준의 물질전달 현상을 이해하고 공정 조건을 설계하는 데 활용될 수 있다고 설명했다.

유체 종류와 표면 특성, 구조에 따른 물질전달을 미리 예측해 반복 실험과 시행착오를 줄일 수 있다는 것이다.

김 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 "원천 이론이 반도체 제조·공정 기술과 접목되면 차세대 초미세 공정의 설계 정확도를 높이고 연구개발에 드는 시간과 비용을 줄이는 데 기여할 것"이라고 덧붙였다.

이번 연구는 김 교수가 교신저자를, 자베르 알 호사인(Jaber Al Hossain) 박사과정생이 제1저자를 맡았다.

미국 테네시대 채터누가캠퍼스와 인도공과대(IIT) 카라그푸르 연구진이 공동으로 참여했으며, 과학기술정보통신부의 국가반도체연구실지원 핵심기술개발사업(NSL)과 InnoCORE 사업 지원을 받았다.

minjuman@news1.kr