원자 세계 더 넓게, 더 빨리 들여다 본다

연세대, 대면적 측정 가능한 다중 탐침 주사 탐침 현미경 개발

나노 과학 연구의 핵심 수단인 주사 탐침 현미경의 탐침을 100여 개로 늘여 더 넓은 면적을 한번에 측정하는 기술이 개발됐다. 

한국연구재단(이사장 이광복)은 심우영 연세대학교 신소재공학과 교수 연구팀이 캔틸레버 없는 간단한 탐침 구조를 이용한 다중 탐침 주사 탐침 현미경을 개발했다고 28일 밝혔다.

주사 탐침 현미경 작동 원리

주사 탐침 현미경(SPM)은 지지대 역할을 하는 긴 판상 형태의 구조물인 캔틸레버 끝에 달린 뾰족한 탐침으로 시료를 훑으며 표면의 미세한 3D 형상을 측정하는 기술이다. 단일 원자 수준으로 측정할 수 있을 정도로 분해능이 높아 나노과학의 핵심 측정 기술로 활용된다. 

하지만 기존 SPM은 하나의 탐침으로 전체 표면을 측정하는 방식이라 측정 면적과 속도가 제한적이라는 단점이 있다. 일반적으로 쓰이는 원자힘현미경(AFM)의 경우 수십 마이크로미터의 면적을 측정하는데 수 분이 소요된다. 국소 면적을 측정하는 단순 연구용으로는 많이 쓰였으나 산업적으로 쓰기에는 제약이 있었다.

이런 문제를 해결하기 위해 다중탐침 SPM이 나왔지만, 기존 캔틸레버 기반 탐침은 구조가 복잡해 여러 개의 탐침으로 제작하기 어려웠다. 

연구팀은 캔틸레버가 없는 간단한 구조의 다중 탐침 구조와 이를 표면 측정에 활용할 수 있는 이진 상태 주사 탐침 현미경(BSPM) 기법을 통해 대면적 측정이 가능한 다중 탐침 SPM을 개발했다. 

기존 캔틸레버 구조 탐침은 실리콘을 정교하게 가공해 만드는 반면, 연구팀은 실리콘을 식각해 만든 탐침 모양 틀에 유연성 폴리머를 부어넣는 몰딩 방식으로 다중탐침 제작 과정을 단순화했다.   

BSPM 기법은 이러한 캔틸레버가 없는 탐침을 표면 측정에 활용할 수 있게 해 준다. 기존 다중 탐침 SPM은 탐침과 표면 간 상호작용을 연속적인 값으로 감지해 측정하는 방식이라 이를 수행할 캔틸레버 구조가 필수다. 반면 연구팀이 개발한 BSPM 기법은 표면과의 접촉 또는 비접촉 두 가지 상태만 감지하기 때문에 캔틸레버가 필요 없다. 감지하는 상태가 두 가지뿐이라 탐침 개수가 늘어도 쉽게 측정 및 운용 시스템을 구성할 수 있다. 

다중탐침을 이용한 이진 상태 주사 탐침 현미경 이미징 구조 개념도 (자료=연세대)

연구진은 BSPM 장비를 실제로 구현, 100여 개의 탐침을 동시에 사용해 1㎟ 표면 측정에 성공했다. 이는 기존 SPM 측정 면적의 약 100배에 해당한다. 해상도는 1.8㎚ 수준이었다. 

반도체 미세 공정 모니터링이나 나노 물질 고속 스크리닝 등 산업 분야 적용도 기대된다. 특히 차세대 전자소재로 주목받는 이차원 물질의 경우, 원자층 수에 따른 물성 변화가 커 대면적 측정이 필수적이다. 이에 따라 이번 연구 성과가 이차원 물질을 응용한 제품 제작 공정에 활용성이 클 것으로 예상된다.

심우영 교수는 "이번 성과는 주사 탐침 현미경으로 대면적 표면 이미징을 가능하게 한 중요한 연구 결과"라며 "소재·부품·장비 원천 기술 확보 차원에서 의미 있는 결과"라고 말했다. 

이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리사업 등의 지원으로 수행됐으며, 학술지 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 게재됐다.