'머리카락 1만분의 1' 크기 표면분석도 'OK'

[KBSI-세상을 바꾸는 분석과학⑥]KBSI 부산센터

'NANO-SIMS' 등 표면분석 '독수리 5형제' 구축

세계적 표면분석 장비로 분석과학의 새로운 패러다임 제시 예고

분석과학(Analytical Science)은 과학기술의 토양입니다. 일반인들에게는 다소 생소하게 들리겠지만 분석과학은 분석기술(Analytical Technology)과 분석장비(Analytical Equipment)에 관한 연구를 총칭하는 분야입니다. 최근에는 새로운 과학기술을 견인하고, 세계적인 연구 경쟁력을 확보하며, 국가 경제성장도 기여하고 있습니다. 특히 국가 과학기술의 척도로 평가되는 노벨상 수상의 토대로 각광받고 있습니다. 이에 대덕넷은 분석과학을 전문적으로 연구하는 정부출연기관인 '한국기초과학지원연구원'과 함께 분석과학 연구분야와 성과를 소개하고자 합니다. 

#. 최근 차세대 반도체용 SiO2 절연막 형성 재료의 국산화 성공이 업계에 큰 화제가 됐다. 차세대 반도체와 디스플레이 소자의 크기가 미세화·집적화 되면서 고피복성의 SiO2 절연막은 그 쓰임이 날로 커지고 있지만 절연막용 전구체는 대부분 일본 수입품으로 의존하고 있어 해결책 마련이 큰 과제였다. 이런 가운데 국산화를 이끈 주역은 다름아닌 이차이온질량분석기(SIMS)이다. SIMS를 이용한 ppm 레벨의 정밀한 분석을 통해 탄소와 질소의 불순물 잔량을 0.1% 이하로 낮춰 국내의 기술로 고품질 SiO2 절연막 구현에 성공했다.

고품질 SiO2 절연막 구현에 성공한 원인은 SIMS를 활용하여 나노크기의 미세한 표면을 분석하였기 때문이다. 그래서 최근 표면분석 능력이 곧 첨단산업의 경쟁력이라 말한다.

같은 탄소 성분으로 이뤄진 물질도 조직 구조 배열에 따라 석탄이 되기도 하고 다이아몬드가 되기도 한다. 고부가가치 제품을 만들기 위해서 정밀한 물질 규명이 절대적으로 필요한 이유다.

모든 현상은 물체의 표면에서 일어난다. 특히 물질이 작아질수록 광학적 특성, 전기적 특성, 물리적 특성 등이 달라지기 때문에 첨단산업으로 갈수록 표면분석의 중요성이 강조된다.

KBSI 부산센터에는 표면분석 장비계의 '독수리 5형제'가 그 역할을 톡톡히 하고 있다. 그 중 가장 핵심 장비는 초미세 이차이온질량분석기(NANO-SIMS). 여기에 이차이온질량분석기(DYNAMIC-SIMS), 시간분해 이차이온질량분석기(TOF-SIMS), X-선광전자분광기(XPS/AR-XPS), 오제이전자분광기(AES) 등이 함께 해 세계적인 표면분석 장비 인프라를 구성하고 있다. 

이차이온질량분석기(SIMS)는 고체표면에 에너지를 갖는 일차이온 빔을 충돌시켜 튀어나오는 입자 중 전하를 갖는 이차이온이나 분자이온의 질량을 측정해 재료표면을 구성하는 원소의 종류와 양을 분석하는 장비로 1H부터 238U까지 주기율표 상의 모든 원소를 높은 감도로 검출할 수 있는 장점이 있다.

현재 센터에는 NANO-SIMS와 DYNAMIC-SIMS, TOF-SIMS 등 3가지 이차이온질량분석기가  각각의 특징을 살려 세밀한 분석 결과를 내놓고 있다. 

센터에 가장 먼저 자리한 DYNAMIC-SIMS는 금속 등 무기물질의 표면분석을 담당하는 장비다. TOF-SIMS는 표면 단원자층을 파괴하지 않고 분자를 이온화할 수 있어 무기물은 물론 유기물질의 표면 분석도 가능하다.

특히 NANO-SIMS는 국내 유일의 연구 장비로 수 십 나노 크기의 미량불순물 분포와 함량 확인이 가능한 장비다.

이들의 특징을 좀 더 자세히 살펴보면, DYNAMIC-SIMS는 ㎠당 10의 13제곱 이상의 많은 일차이온을 시료에 입사하는 것으로 박막표면과 계면의 미량 원소 정량분석 등에 활용된다. 

더욱이 DYNAMIC-SIMS는 높은 이차이온 전류를 생성시키고 주위 환경에서 발생한 표면요염을 줄일 수 있어 시료 내에 존재하는 미량 불순물의 깊이에 따른 분포 분석을 할 때 유리하다.

TOF-SIMS는 센터가 가장 최근에 들여 온 이차이온질량분석기다. SIMS는 입사되는 일차이온의 양에 따라 DYNAMIC-SIMS와 STATIC-SIMS로 나뉘는데, TOF-SIMS는 STATIC-SIMS에 해당하는 장비로, 소재 연구개발에 필수장비다.

TOF-SIMS는 수백eV∼20KeV의 일차이온빔을 시료표면에 조사, 시료에서 튀어나온 이차이온의 특정거리를 비행하는 시간에 따라 저질량이온에서 고질량이온 순으로 분리해 분석한다.

다른 이온질량분석기와 달리 ㎠당 10의 13제곱 이하의 일차이온을 입사해 표면 단원자층을 파괴하지 않고 분자를 이온화해 무기물질뿐 아니라 유기물질의 질량분석도 가능하다. 

또 절연체 및 질량이 매우 큰 분자들도 측정 가능해 시료에 제한성이 없고, 시료 비교분석부터 분자구조 변화 규명이 가능한 것도 중요한 강점이다.

SIMS 중 단연코 각광받고 있는 장비는 NANO-SIMS. 머리카락 굵기의 1만분의 1 정도의 크기와 0.0001%의 함량만 있어도 정확한 성분과 조직 구조를 분석할 수 있기 때문이다.

기존 장비는 탐침의 크기를 줄이면 검출 감도와 질량분해 능력이 급격히 나빠지지만 NANO- SIMS는 탐침 역할을 하는 일차이온을 50나노미터 이하로 접속시킬 수 있어 고체 표면을 고해상도로 관찰할 수 있고, 1000분의 1 amu(atomic mass unit·원자단위질량:수소 원자 하나의 질량 이하의 작은 질량 차이도 정확히 구분할 수 있다.

더욱이 암세포와 같은 특정 세포에 대한 신약의 반응 여부를 평가하는 등 보건·의료 연구 개발에 도움을 줄 것으로 기대하고 있다.

홍태은 KBSI 부산센터 하이테크소재연구부 책임연구원은 "물질에서 표면이 차지하는 영역이 크다. 나노 분야에서는 90%가 표면으로 돼 있다고 해도 과언이 아니다"며 "센터에 구비된 분석기들로 표면을 구성하는 성분, 성분의 분포와 농도는 물론 결합상태까지도 분석할 수 있다"고 밝혔다.

이어 그는 "그동안은 축약형 산업으로 발전했지만 더 큰 발전을 위해서는 표면의 이해 없이는 불가능하다"고 덧붙였다.

분석기와 함께 센터에는 X-선광전자분광기(AR-XPS)와 오제이전자분광기(AES)가 설치돼 표면분석의 완성도를 높이고 있다. 전자분광 화학분석기라고도 불리는 X-선광전자분광기는 연성 X선을 시료에 입사시켜 광전효과에 의해 방출되는 광전자를 검출해 표면 장비를 분석하는 장비다.

X선 광원을 시료에 입사시키면 고체 시료를 구성하는 원자의 내부 전자궤도로부터 광전자가 방출되는데, 방출된 광전자의 운동에너지를 측정하면 광전자의 결합에너지를 알 수 있다.

오제이전자분광기는 수십 나노미터 크기로 집속된 전자 빔을 표면에 입사시켜 방출되는 오제이 전자의 에너지를 측정함으로써 재료 표면을 구성하고 있는 원소의 종류와 양을 분석하게 된다.

홍 박사는 "소재의 소형화, 고집적화가 빠르게 진행되고 있어 첨단소재뿐만 아니라 재료의 거의 모든 분야에서 표면분석의 연구의 중요성이 커지고 있다"며 "KBSI 부산센터가 표면분석에 있어 중추적인 역할을 해 나갈 것"이라고 밝혔다.

☞ 출처 : http://hellodd.com/news/article.html?no=56773