오늘날 과학기술의 주기는 과거에 비해 매우 짧아졌다. 기초과학에서 응용기술 개발에 이르는 과정이 거의 동시에 일어나고 있다. 첨단과학이 기초과학의 발전을 위한 새로운 연구 방법을 제공하는 시대가 되었다.

황인상 기자 his@

기초과학과 응용과학의 협업이 강조되는 추세에 발맞추어 도전하고 혁신하는 미래 과학기술의 발전을 위해 정부와 민간 모두 집중적인 관심과 대대적인 투자가 아낌없이 이뤄지도록 해야 할 시점이다. 이에 원자힘 현미경과 반도체 공정 기술에 기반한 나노소자 제작 전문가인 안상민 전북대학교 물리학과 교수의 행보가 화제다. 안상민 교수를 만나 자세한 얘기를 들었다.

원자힘 현미경 기반 나노스케일 3D 프린팅 기술 개발에 집중
서울대에서 연구교수를 거쳐 지난 2020년 전북대에 부임한 안상민 교수는 다양한 정부 지원 과제는 물론, 활발한 산학협력을 진행하고 있고, 원자힘 현미경 제조 관련 다수의 특허도 보유하고 있다. 원자힘 현미경은 원자간의 힘의 작용을 측정하여 시료의 표면을 형상화 하거나(nm - 나노미터 단위, 나아가 원자 수준), 탐침(캔틸레버cantilever)에 힘을 가하여 시료 표면의 원자나 분자 배열을 조작하는 데 사용되는 현미경으로, 기계적인 접촉힘, 반 데르 발스 힘, 표면 장력, 화학적 본딩, 정전기력, 자기력, 카시미르 힘, 용매화 힘 등을 매우 정밀하게 측정한다. 최근의 반도체가 3nm 공정 등으로 극도로 작아짐에 따라 실리콘 웨이퍼의 표면 거칠기가 화두로 떠오르면서 1nm 미만의 아주 작은 웨이퍼 거칠기를 반도체 제작 공정 상에서 비접촉, 비파괴 검사가 가능한 ‘원자힘 현미경’을 활용한 검사가 진행되고 있다.

▲ 안상민 교수

현재 안 교수는 연구 프로젝트 과제로 ‘원자힘 현미경 기반 나노스케일 3D 프린팅 기술 개발’, ‘원자힘 현미경과 전자현미경을 결합시키는 하이브리드 형태의 첨단 장비 개발’에 기여하고 있으며, ‘원자힘 현미경에 사용되는 초핵심 소모품인 컨택/넌컨택용 캔틸레버 및 특수 캔틸레버 제조 기술 확보 및 이를 기반한 창업’에 전념하고 있다. 또한, “반도체 공정에 활용되는 ‘EUV(극자외선) Mask’ 표면에 형성되는 결함 등을 원자힘 현미경을 이용해 검출하여 제거하는 과제를 주관인 ㈜파크시스템스와 추진하고 있으며, 이 과제에서 핵심 요소인 높은 탄성율을 지닌 캔틸레버 제조하는 기술을 개발하고 있다”면서 “원자힘 현미경을 활용해 반도체 공정에서 가장 중요한 수~수십 nm의 매우 작은 패턴을 만드는 ‘EUV Lithography’에 사용되는 EUV Mask의 공정상에 발생할 수 있는 결함을 제거하는 장치를 개발하는 것이 이번 연구 과제의 핵심이다”고 설명했다.

안 교수는 이번 과제 수행에 필요한 기술력이 이미 확보된 상태다. EUV Mask 결함 제거 전용 캔틸레버 제작을 통해 기술력 선점과 현재 전량 수입에 의존하고 있는 한계를 극복하고 창업에까지 이어져, 반도체 공정의 결함률 제로에도 도전해 세계 수준의 국내 반도체 산업에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

자체 제작한 원자힘 현미경으로 ‘슬립-스틱 현상’ 최초 규명
지난 5월, 안상민 교수는 자체 제작한 원자힘 현미경으로 우리가 살아가는 데 있어 가장 흔하게 접하면서 유용한 힘인 마찰력의 원리(슬립-스틱)가 눈에 보이지 않지만 자연현상에 많이 존재하는 ‘나노스케일 물’에 의해서도 정의될 수 있다는 사실을 최초로 규명해냈다. 이번 연구 성과는 나노 분야 세계적 저널인 『Nano Research』에 5월호에 게재됐다. 마찰력의 근원은 눌리는 힘에 의해 접촉된 부분이 순간적으로 붙는 ‘냉용접 현상’으로 설명할 수 있는데 이렇게 붙여진 상태를 떼어 내기 위해서 어느 이상의 힘(정지마찰력)을 가해야만 움직이게 된다. 움직이면서도 계속 마찰력(운동마찰력)을 느끼면서 진행하게 되고 붙여지는 영역이 많아지는 지점을 만나면 또 멈춘다. 이러한 현상을 스틱-슬립(Stick-Slip)이라고 한다.

안상민 교수는 “슬립-스틱 현상은 그동안 두 표면 간의 접촉되는 부분의 정지마찰력과 운동마찰력의 반복 작용이라고 여겨졌다”면서 “그러나 이번 연구에서는 접촉되는 작은 영역 사이에 끼인 나노스케일 물이 두 표면을 수직으로 당겨주는 힘에 의한 마찰력 증가 현상과 함께 나노스케일 물의 양이 증가함에 따라 보이지 않았던 슬립-스틱 현상이 발생할 수 있음을 확인했다”고 설명했다. 특히 이번 연구에는 안 교수팀이 자체 제작한 ‘원자힘 현미경’이 활용돼 그 의미가 더욱 남달랐다. 안 교수는 “나노스케일 물질에 관한 과학적, 산업적 관심이 급격히 커져가고 있는 시대에 살아가고 있다”며 “물질의 근원적 특성의 기본이 되는 마찰력에 관한 미시관점에서의 심도 깊은 이해는 현재의 과학과 기술의 한계를 한 단계 뛰어넘을 수 있는 동력이 될 것”이라고 전망했다.

한편 안 교수는 후학들에게 개인의 성장을 통해 행복할 수 있는 방법을 찾아야 한다며 무엇을 좋아하고 잘하는지 알기 위해서는 무엇이든 해보는 방법이 제일 빠르다고 강조한다. 안 교수는 파스칼의 확률구슬을 예로 들며 “첫 구슬을 떨어뜨렸을 때 가운데 칸에 멋지게 성공적으로 들어가는 친구도 있을 테지만 보란 듯이 구슬이 바깥에 떨어지는 친구도 있을 것이다. 그러나 여러 번 하다 보면 결국 가운데가 수북이 많은 가우시안 형태를 띠는 멋진 모양을 얻게 되니 한두번 실패했다고 그만두지 말고 계속하다보면 잘된 나를 발견하게 될 것”이라며 또한, “실패가 두려워 시작조차 못하는 경우도 있있는데, 딱 한 걸음만 내딛는 용기를 낸다면 그 후에는 그 일이 여러분을 끌어줄 것이다”고 조언했다. NM