▲ 그래핀 나노채널 내 전기삼투 흐름의 계산 모델과 주요 물리적 현상의 분자 동역학 시뮬레이션 시각화. 채널 내에 갇힌 이온 전해질 용액, 분자 구성을 보여주고 채널 내의 전하 표면, 전하 분포를 표시함. 다양한 전기장 강도 하에서 그래핀 나노채널 내의 전기이중층 형성을 보여줌.(그림 및 설명=울산대학교 초미세 열유체 실험실 김보흥 교수)   © 특허뉴스

초정밀 반도체 공정을 더욱 세밀하게 제어하고 최적화할 수 있는 특성이 규명됐다. 

한국연구재단은 김보흥 교수(울산대학교) 연구팀이 초정밀 반도체 공정 등에 응용이 가능한 초미세 유체(Nanofluidics)의 전기장에서의 거동 특성을 규명했다고 밝혔다. 

여러 반도체 공정에 활용되는 나노 수준의 유동(流動, 유체 흐름)의 경우, 공정의 특성에 따라 다른 형태를 보인다. 

특히, 나노 유체의 유동 방식 중 많이 활용되는 미세유동의 경우 전기이중층(EDL, Electrical Double Layer/전기장하에서 유체 내부의 이온이 표면을 따라 stern layer와 diffuse layer의 두개의 층으로 구성)의 역할이 핵심이지만, 그 내부의 유동 특성은 아직 명확하게 이해되지 않고 있다.

전기이중층 내부의 유동 특성을 명확하게 이해할 경우, 나노 수준에서의 유동 제어가 가능해져 초정밀 반도체 공정을 세밀하게 제어할 수 있게 된다. 

연구팀은 전기이중층 내부에서의 유동 특성을 원천적으로 이해하기 위해 컴퓨터 전산모사(컴퓨터로 풀어 실제 현상을 예상하거나 재현하는 것)를 활용, 분자 수준에서의 물질 확산을 포함한 거동 특성을 밝혀냈다. 

미세유체의 흐름제어에서 유체는 이온의 움직임에 의해 영향을 받으며, 이온은 다시 유체 분자를 따라 끌리게 된다. 이때 외부 전기장이 표면에 평행하게 적용되면 EDL 내에서 이동하는 이온에 의해 유체가 이동하여 표면 전하와 관련된 전기삼투(고정된 고체에 대하여 액체가 직류전압에 의해 이동하는 현상) 이동이 발생하게 된다. 

연구팀은 이 같은 특성을 정밀한 분자 수준의 시뮬레이션을 통해 다양한 환경에서의 결과를 더 높은 정밀도로 구현해냈다. 

초미세 유체의 정밀한 제어는 기술적 구현의 어려움이 큰 분야지만, 이번 연구의 결과로 에칭이나 웨이퍼 세정 등 유동이 필요한 여러 반도체 공정의 정밀도와 제어 가능 범위를 크게 향상시키는데 활용될 수 있을 것으로 예상된다. 

김보흥 교수는 “본 연구는 실험적으로 접근이 불가능한 영역의 연구를 컴퓨터를 활용한 전산모사를 통해 모델링한 것”이라며 “언젠가 기술의 발달로 실험적 접근이 가능해질 경우 더욱 정밀하고 복잡한 수준의 예측 모델링을 할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 

이번 연구의 성과는 나노분야의 저명한 국제학술지인 ‘Small’에 8월 23일 게재됐으며 후면 속 표지 논문(inside back cover)으로 선정됐다.

논문명은 Applied Electric Field Effects on Diffusivity and Electrical Double-Layer Thickness 이다.