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'원자 3개 크기' 현미경 이온원 나왔다

2018-07-11기사 편집 2018-07-11 17:48:30

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표준연, 산화막 역이용한 이온빔 원천기술 개발

첨부사진1다원자 이온원(왼쪽)과 3원자 이온원 장치(오른쪽)의 비교. 뾰족하게 깎기 전다원자 탐침은 넓은 면적에서 이온빔이 여러 방향으로 분산되는 반면 이번에 개발한 탐침 좁은 면적(3개 원자)에서 고휘도의 이온빔을 방출한다. 자료=표준과학연구원 제공
한국표준과학연구원(KRISS)이 차세대 현미경으로 주목받는 헬륨이온현미경의 이온빔 원천기술을 개발했다. 이 이온빔의 탐침은 원자 3개 크기로 전자현미경도 할 수 없는 미세 작업을 가능하게 해 관심을 끌고 있다.

표준연은 광전자융합장비팀 박인용 선임연구원팀이 자체 설계한 이온원(ion source) 장치를 이용, 3원자 탐침(probe)에서 이온빔을 생성하는 데 성공했다고 11일 밝혔다.

현미경의 세계에서 '빛', '전자', '이온'과 같은 광원은 현미경 특성을 결정짓는 가장 중요한 요소이다. 그리고 이 광원을 '어떻게' 쓰는지가 현미경의 성능을 좌우한다. 마치 수도꼭지 일부를 손으로 막아 좁히면 물이 더 세차게 나오는 것처럼 광원이 최대한 좁게 모아져 방출돼야 마치 손전등으로 빛을 비출 때처럼 밝은 이미지를 얻을 수 있기 때문이다.

헬륨이온현미경은 전자현미경 수준인 나노미터 이하의 영상 분해능은 물론, 전자현미경에서 하지 못하는 10 나노미터 이하의 정밀가공까지 가능하다는 점이 특징이다. 나노 공정기술, 재료과학, 생물학을 포함한 다양한 분야에서 헬륨이온현미경을 주목하고 있는 이유다.

헬륨이온현미경의 높은 분해능을 구현하기 위해서는 탐침 끝부분을 뾰족하게 해 최소한의 원자를 남겨야 한다. 그러나 기술 난이도가 상당히 높아 극소수의 해외 선진 기업만이 원자 3개 수준의 탐침 기술을 적용한 상용현미경을 판매하고 있다.

이번 연구는 정교한 탐침 제작을 방해하는 산화막을 역이용했다는 점에서 의미가 크다. 탐침이 공기 중에 노출되면 텅스텐 표면에 산화막이 생성되는데 그동안은 클리닝 과정을 거쳐 이 산화막을 제거했다. 이를 위해 복잡한 구조의 가열장치를 추가로 설치해야 한다. KRISS 연구팀은 제거 대상이었던 산화막이 포함된 절연층을 열처리로 제거하지 않고, 오히려 절연층의 산소를 탐침을 뾰족하게 깎는 데 활용했다.

KRISS 박인용 선임연구원은 "이번에 개발한 장비는 기존 방법보다 단계를 대폭 줄인 이온빔 원천기술로서, 외산 측정장비에 의존하고 있는 국내 시장의 경쟁력을 크게 향상시킬 것"이라며 "탐침의 원자 수를 1개로 줄여 세 배 이상 밝은 '단원자 탐침'을 안정적으로 구현하는 것이 궁극적인 목표"라고 했다.

이용민 기자



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