한국기초과학지원연구원의 ‘차세대 융복합 in-situ 나노분석시스템’은 분석장비 7종과 공정장비 8종, 총 15종의 장비를 초고진공 시료이송시스템으로 통합해 나노 소재의 합성·분석뿐만 아니라 나노 소자의 제작과 측정까지 하나의 시료로 진행할 수 있는 최첨단 융복합 연구플랫폼입니다.

지난 2010년 구축을 시작하여 2017년 구축을 완료하였고, 2016년에는 국가연구개발 우수성과 순수기초 인프라 분야에서 100선에 선정된 국내 유일의 최첨단 대형 나노소재/소자 연구플랫폼으로, 이러한 연구플랫폼의 중요성으로 인해 세계적으로도 유사한 시스템 7기가 구축되고 있습니다.

나노소재는 그 크기가 매우 작고 얇아 대기에 노출되면 오염되어 고유의 물성을 잃게 되기 때문에 일반적인 분석법으로는 나노소재의 고유한 물성을 정확히 측정할 수 없습니다.

이런 문제를 해결하고자 차세대 융복합 in-situ 나노분석시스템은 합성한 나노소재를 오염이 일어나지 않는 초고진공 환경에서 이송함으로써 시료 표면이 대기에 노출되는 것을 원천적으로 차단할 수 있어 시료가 제조된 순간의 나노 소재의 고유물성을 분석 과정까지 유지할 수 있습니다.

이를 통해 차세대 반도체, 디스플레이, 에너지, 환경, 바이오 등 다양한 나노 소재/소자 산업분야의 원천기술 확보 및 개발 가속화, 기간 단축, 생산단가 절감, 국제 경쟁력 확보 등에 기여하게 될 전망입니다.

차세대 융복합 나노분석시스템은 8(여덟)대의 공정장비와 7(일곱)대의 분석시스템으로 구성됩니다.

공정장비는 시료의 두께를 원자층 단위로 조절 가능한 플라즈마 강화 원자층증착기, 저차원 나노물질을 합성하는 열화학기상증착기, 고순도 금속 및 금속산화물을 증착하는 DC/RF 스퍼터, 초고순도 금속 및 반도체 물질을 증착하는 펄스레이저증착기, 고진공에서 나노물질을 합성하는 고진공화학기상증착기, 최소 1마이크로미터의 소자패턴을 제작하는 패턴 형성기, 오염 없이 소자를 제작하는 환경을 제공하는 글러브박스가 있습니다.

분석시스템은 서로 다른 원리와 배율의 현미경 3기, 광전자분광법을 기반으로 하는 서로 다른 분광기 3기, 그리고 극저온에서 동작하는 소자측정 시스템 1기로 구성됩니다.

3종의 현미경은 나노물질의 형태와 구조를 측정하는 수차보정 저에너지 전자현미경, 성분 및 구조분포를 측정하는 라만현미경, 원자수준의 구조 및 전자구조를 이미징하는 주사탐침현미경으로 구성되어 제작한 시료에 대한 이미징 솔루션을 um(마이크로미터)부터 nm(나노미터) 이하 단위까지 완벽히 제공합니다.

또한, 3종의 분광기는 역격자 공간의 전자구조를 분석하는 각분해 자외선 분광기, 물질의 조성 및 전자구조를 분석하는 X-선 광전자분광기, 촉매반응이 일어나는 저진공에서도 실시간 측정이 가능한 근상압 X선 광전자분석기로 구성되어 제작한 시료의 고유의 물성 및 변화하는 물성에 대한 실시간 분석이 가능합니다.

마지막으로 소자측정장비인 저온 프로브 스테이션은 오염 없이 제작된 나노소자의 전기적 특성 분석을 수행할 수 있습니다.

시료는 대기 노출 없이 모든 장비가 연결된 11.3 m의 초고진공 선형이송시스템을 통해 원하는 다른 장비로 이동되며, 이때 시료의 고유 물성은 변화 없이 보존됩니다.

예를 들어, 미래전자소자의 신물질로 각광받고 있는 그래핀 및 전이금속 칼코겐 화합물을 열화학기상증착기(CVD)를 이용하여 합성한 후, 공기 노출 없이 시료를 이송하여 라만분광기를 통한 구조 분석, 광전자분광기를 이용한 전자구조 및 화학조성분석이 가능하며, 분석을 마친 나노소재를 이용하여 금속/유기물 증착기로 전극을 제작하고, 패턴형성기로 나노소자를 제작한 후, 저온 프로브 스테이션으로 전기적 특성 평가까지 수행할 수 있습니다.

현재 차세대융복합 in-situ 나노분석시스템을 사용하여 세계 최초로 이산화티타늄과 흑린의 하이브리드 구조로 이루어진 광촉매 재료의 대량 제조와 그래핀 합성시, 구리와 그래핀 사이의 응력으로 인한 구리표면변화 및 그래핀 나노주름 형성에 대한 원인을 규명하였습니다.

차세대 융복합 in-situ 나노분석시스템은 나노소재/소자 연구를 수행하는 과학기술자 모두에게 열려 있는 연구플랫폼으로, 새로운 나노물질 발굴 지원과 분석기술 개발을 통해 나노분야 연구의 중심이 되어 국가과학기술경쟁력 향상에 기여할 것입니다.

감사합니다.