▲ 나노소재 조직분석의 필요성.

◇ 기술의 분류

나노분석 기술은 크게 원자관찰 고분해능 분석 기술과 나노영역 실시간 분석기술로 분류할 수 있다.

▲ 나노소재 조직분석 기술의 분류.

■ 환경변화 및 기술의 중요성

에너지 및 자원 가격의 상승으로 인해 고효율·고기능성 소재기술에 대한 기대와 역할이 증대하고 있다. 소재의 물리적 성질은 거시적인 관점에서는 소재의 공정 방법에 좌우되지만 미시적인 관점에서는 원자의 배열상태나 각 원자의 결합상태에 의존적이다.

이에 차세대 나노분석을 위한 원천기술을 확보하고 세계 선점형 핵심소재 원천기술의 확보를 위해서는 원자단위의 구조분석을 할 수 있는 첨단분석기반 고도화가 절실하며, 원자 단위까지의 미소영역에서 소재를 설계하고 소재물성을 평가하는 것이 필수적이다.

최근 해외 선진 연구기관에서는 원자 단위의 분석 및 소재 설계 기술이 급속도로 보급되어 관련 연구가 활발하게 진행되고 있다. 미국·일본 등 선진국은 원자단위의 분석기술 개발을 위해 국가차원의 막강한 나노분석 인프라를 구축하고 있으며, 이를 기반으로 소재연구가 활발히 진행되고 있다.

▲ 차세대 소자인 그래핀 분석을 미국 Oak Ridge National Lab.에 도입된 Nion사의 UltraSTEM(자료: https://www.nion.com, Nion Co.).

■ 기술분야별 동향

◇ 원자관찰 고분해능 분석 기술

○ 고분해능 투과전자현미경(HRTEM)

지난 수십년 동안 고분해능 투과전자현미경(HRTEM : High Resolution Transimission Electron Microscopy)은 나노 스케일에서의 소재분석을 위한 핵심 장비였다. 전통적으로 HRTEM은 고분해능 이미지 분석, 회절 패턴 분석, 화학적 조성분석을 통해 소재의 계면 및 고상에서의 나노 단위의 분석을 가능케 함으로써 소재개발에 큰 공헌을 하였다.

최근에는 수차보정기가 장착된 수차보정 투과전자현미경 (aberration-corrected TEM)을 이용하여 분해능이 0.1nm 이하로 향상되었으며, 특히 저전압에서도 고분해능을 유지함으로서 전자빔에 약한 탄소물질 (그래핀, 탄소나노튜브)이나 생체소재 분석에 활용되고 있다.

○ 수차보정 주사투과전자현미경

본격적인 나노과학기술의 발전과 함께 기존의 HRTEM의 분석 한계를 극복하기 위한 차세대의 전자 현미경이 최근 수년 동안 개발되었다.

수차보정 주사투과전자현미경(aberration-corrected STEM)은 대표적인 차세대 분석 장비라고 할 수 있다. 최근 STEM(Scanning Transmission Electron Microscopy)은 원자 단위로 소재를 분석함에 있어서 가장 강력한 장비로 대두되었다.

이 장비는 개개 원자의 원자 배열, 저원자가 원자 검출, 심지어 점결함 배열 분석까지 가능하게 한다. STEM 전자총에서 발생된 전자빔은 대물렌즈(objective lens)를 통해서 원자를 분석할 수 있는 사이즈인 ~0.2nm까지 축소된다. 하지만 이 빔의 크기로는 원하는 원자 각각을 이미징하고 분석하는 데는 한계가 있다.

수차보정 주사투과전자현미경 분석기술은 영상이 흐려지는 원인인 구면수차(spherical aberration)를 보정함으로써 기존의 주사투과전자현미경보다 분해능이 향상되어 0.1nm 이하의 분해능으로 원자배열을 직접 관찰하는 기술이다.

일반적인 원자지름이 0.15~0.3nm 정도임으로 고려하면 이러한 수차보정을 통해 결정 구조 내에서 특정원자의 위치를 보다 정확하게 파악할 수 있다. 1990년대 말부터 독일의 CEOS사, 미국의 NION사에 의해서 수차 보정을 위한 Cs-corrector의 하드웨어적 개발이 본격적으로 이루어졌다. 다음 그림은 Cs-corrector의 성능을 단적으로 보여준다.

▲ 구면수차와 이에 따른 Ronchigram의 변화.

Cs-corrector의 활용 사례로 일본 동경대의 Abe교수 연구팀은 구면 수차를 사용한 STEM을 활용하여 원자구조를 관찰하기 힘든 준결정의 결정구조를 정확하게 분석하였다.

▲ Al65Cu20Co15 준결정의 STEM 이미지(구면수차 사용 이전(a), 구면수차 사용 이후(b))(자료 : Abe et al., Nature)(2002).

이처럼 수차보정 STEM을 이용하면 HRTEM으로는 불가능한 나노입자의 표면과 같은 계면에 흡착된 원자를 검출할 수 있다. 이의 활용으로 원자단위의 조성분석을 가시적으로 수행할 수 있을 뿐 아니라 기능성 산화물들에서의 산소, 배터리에서의 리튬과 같은 가벼운 원소들의 배열 및 결합 상태를 확인할 수가 있다.

계면 특성 분석은 소재에서 가장 중요한 핵심요소 중 하나로 계면의 결합 배열 및 상태를 연구하는 것은 녹색 소재의 물성 이해에 있어서 매우 중요하다. 직접 부품으로 사용되는 소자의 경우 세라믹과 메탈의 적층구조를 이루게 된다. 이때 메탈과 세라믹의 결합 상태를 분석하는 것은 소자의 특성을 결정짓는 핵심 요소라고 할 수 있다.

일례를 고온 초경소재인 Si3N4에서 찾아볼 수가 있다. Si3N4 세라믹 시스템에 특성향상을 위해 La와 같은 희유 원소를 첨가하게 되면 프리즘 형태의 비등방적인 거대 입자들이 생성되면서 스스로 인성과 같은 기계적 특성을 향상시키는 조직을 가지게 된다.

즉 입자의 프리즘 면과 액상 필름 사이의 계면에서 질소 원자로 계면을 형성하게 되며, 질소 원자는 액상 필름 내의 La 원자들과 강한 결합을 하면서 편석이 발생한다. 프리즘 면에서의 La의 편석 현상이 면을 안정하게 만들고 비등방적인 입자가 발생함을 발견하였다.

대부분의 시스템에서 첨가물의 활용은 경험 또는 실험에 근거를 두는 경우가 많았으며 과학적인 근거를 밝히지는 못했다. 하지만 나노스케일에서의 계면분석을 통해 기계적 특성을 향상시키는 메카니즘을 확인할 수 있었다.

▲ 실리콘 질화물 입자의 표면에 흡착된 비정질상 내의 La 원자들(자료 : Shibata et al., Nature)(2002).

이와 같이 수차보정 STEM은 원자배열·화학정보·전자구조를 분석할 수 있는 기술로서 압전액츄에이터의 원자 dipole(이중격자) 구조 분석·열전소재의 상안정성·전지소재의 점결함 분석 등에 활용가능하다.

▲ 수차보정 STEM을 이용한 원자관찰 고분해능 분석의 기술구성도.

○ 주사탐침현미경(SPM)

주사탐침현미경(SPM, Scanning Probe Microscopy)은 탐침을 대상소재의 표면에 접촉 또는 비접촉시켜 스캐닝함으로써 표면형상뿐만 아니라 마찰계수, 전자기적 특성 등을 분석할 수 있는 기술이다.

▲ 주사탐침현미경(SPM)의 형상.

▲ SPM을 이용한 소자의 형상 및 전기적 특성의 관찰 영상.

또한 SPM에서는 소재·소자의 재현성 및 실환경에서의 특성거동 확인을 위하여 다양한 환경변수(온도·습도·진공)에서 물성측정이 가능하다.

이상과 같이 주사탐침현미경은 나노영역의 미세구조를 분석하는 기술로 소재의 물리적․전기적 특성이 가능하다. 이를 통해 태양전지의 광전특성·압전소자의 압전특성·반도체 박막의 전자기적 특성 등을 평가할 수 있다.

▲ 주사탐침현미경(SPM)을 이용한 원자관찰 고분해능 분석의 기술구성도.

◇ 실시간 나노영역 분석기술

최근 정보기술(IT)의 개발과 함께 소재연구에서 주목을 받고 있는 나노분석기술이 실환경 실시간 분석기술이다. 기존의 전자현미경은 제조된 소재의 구조와 결정상을 분석하는 수동적인 분석 기법이었다. 하지만 20세기에 이르러 급속한 속도로 발전하는 정보기술에 힘입어 소재개발에서 한 단계 도약할 수 있는 연구방법이 제시되었다.

매우 빠른 속도로 이미지를 저장할 수 있는 CCD 카메라 기술, 매우 정밀하게 압력을 제어하는 압전(piezoelectric) 기술, 온도를 제어하는 기술이 접목되면서 전자현미경 내에서, 소재의 미소영역에서 온도·압력·전자기장을 가하면서 소재 구조 및 특성변화 분석이 가능해졌다.

오사카대학 Mori 교수 연구팀은 Bi 금속에 Sn을 전자현미경에서 실시간으로 주입함과 동시에 온도를 가함으로써 Sn과 Bi의 합금이 어떠한 형태로 이루어지는지를 관찰하였다.

▲ 온도에 따른 Sn/Bi 합금의 변화 양상(자료 : Lee et al, PRB)(2002).

IBM은 실시간 동적거동 연구에 많은 연구비를 투입하고 있으며, IBM 연구소 Ross박사 연구팀은 이 분야의 기술을 선도하고 있다.

또한, Brown대학 Kumar교수 연구팀은 C15 레베스(Laves)구조를 갖는 NbCo2 금속간 화합물(intermetallic compound)의 상변태를 상온에서부터 1,100℃의 실시간 관찰을 통하여 기존의 상태도에서 제안된 것과는 다른 상변태 거동을 확인하였다. 열적거동뿐만 아니라, 기계적인 응력을 인가함으로써 실제 변형거동을 관찰하는 데 성공하였다.

다음 그림은 원자/전자 단위에서의 물질 특성은 불연속적으로 발생한다는 양자역학의 이론적 설명을 실험적으로 뒷받침한 결과이다. 이 그림에서 볼 수 있는 바와 같이 인장에 의해 금의 원자들이 4개 층에서 1개 층으로 순차적으로 얇아지고 전도도(conductance) 역시 불연속적으로 나타난다.

▲ 금의 인장에 의한 원자 결합의 파괴 거동 및 이에 의한 양자역학에 의한 불연속적 전기 이동도(자료 : Ohnishi et al. Nature)(1998).

이상과 같이 나노영역 실시간 분석기술은 소재가 사용되는 고온환경 또는 응력환경을 모사함으로써 소재가 나노단위영역에서 어떻게 반응하는지 실시간 관찰하는 기술이다. 이 분석결과는 고기능성 구조 소재의 변형 및 강화기구를 밝혀내고 내식성 등 경년변화 기구를 규명하는데 활용되어 소재의 내구성 향상에 기초자료로 활용될 수 있다.

▲ 나노영역 실시간 분석의 기술 구성도.

■ 해외 동향

◇ 미국

○ 연구개발 현황

미국은 1990년대 말부터 원자단위의 분석기술 개발을 위해 국가차원의 R&D를 수행하였다. 1990년대에는 영국·독일 등과 NANOAM 프로젝트를 통해 소재분석에 집중하면서 원자단위 분석기술의 공동연구를 수행하였다.

2005년부터는 총 1억달러 규모의 연구비를 투입하여 세계 최고 고분해능을 가지는 전송형전자보정 현미경(TEAM) 개발 프로젝트를 미국 내 5개 국립연구소(아르곤 국립연구소, 브룩크헤븐 국립연구소, 로렌스버클리 국립연구소, 오크리지 국립연구소, 프레드릭 사이즈 재료연구소)와 대학이 연합하여 진행하였다.

TEAM 현미경은 0.5 옹스트롱(1옹스토롱: 100억분의 1 미터)의 분해능, 즉 원자 수준 연구의 핵심 크기인 탄소 원자의 3분의 1크기의 나노구조를 직접 관측하고 분석이 가능한 현미경이다. 이렇게 구축된 나노분석 인프라는 NNI(National Nanotechnology Initiative)와 접목되면서 미국이 나노소재를 선도하는데 크게 기여하였다.

▲ 미국내 TEAM 프로젝트 참여 기관(자료 : https://ncem.lbl.gov/TEAM-project, The TEAM Project).

주요 연구기관의 나노분석기술 연구내용을 살펴보면 다음과 같다.

NIST는 미래 나노장치와 시스템의 성공적인 개발을 위해 필수적인 나노 소재의 기계적 특성(탄성·경도·마찰·밀착력·내마모성·Poisson's ratio 등) 측정학(nanomechanics 라고 정의함) 확립을 위한 연구를 2001년 이후 집중적으로 진행하였다.

IBM은 원자 힘 현미경(AFM : Atomic Force Microscope)을 이용하여 분자 수준에서의 마찰과 윤활의 의미 분석 연구를 수행하였다.

NASA는 우주선에 적용을 위한 MEMS optical device의 기계적 신뢰성 평가에 대한 연구를 수행하고 있다.

CIT(California Institute of Technology)는 AFM으로 박막의 기계적 성질을 측정하였고, University of Illinois는 나노입자 소재에 대한 기계적 성질을 측정하여 입자의 크기에 따른 강도의 의존성에 대한 결과를 고찰하였다.

Johns Hopkins대학은 마이크로/나노 소재의 ISDG(Interferometric Strain Displacement Gage)에 의한 인장 변형을 측정하여 탄성계수를 비롯한 인장 특성을 폴리실리콘(polysilicon)을 비롯한 마이크로 소재에 대하여 측정하였고, 마이크로 크기의 시험편을 제작하여 피로 및 파고 특성을 측정·평가하였다.

California대학은 실리콘 마이크로빔(silicon microbeam) 등의 파괴강도와 마이크로 수준의 마모측정 시스템 등에 대한 연구, Cornell대학은 미소 파괴특성 해석에 대한 연구, MIT는 마이크로 소재 피로특성에 대한 연구를 수행하고 있다.

○ 선도 기관

▲ 나노분석기술 - 미국의 선도 기관 .

◇ 유럽

유럽에서는 ESTEEM(Enabling Science and Technology through European Electron Microscopy) 프로젝트를 통해 유럽 내 원자구조분석 핵심 연구그룹의 네트워크를 구축하고 하드웨어적 개발보다는 분석기술 및 모듈을 개발하는 소프트웨어적 기술 개발을 추진해왔다.

ESTEEM 프로젝트는 “원자 단위의 분석이 가능한 전자현미경을 소재 연구에 어떻게 적용하여 활용할 수 있느냐”에 초점이 맞추어져 있다. 주요 연구분야는 3D 이미징, 전자구조 매핑(mapping), 원자 화학적 매핑, 새로운 detector 개발 등이다.

ESTEEM 프로젝트에는 유럽내 11개 연구기관이 참여하고 있다. 이들 기관은 영국의 캠프리지대학 및 옥스퍼드대학, 스페인의 Universidad de Cadiz, 프랑스의 CEMES Toulouse 및 Universite Paris Sud, 네델란드의 Technische Universiteit, 벨기에의 University of Antwerp, 독일의 Max-Planck-Institute Stuttgart 및 Technische Universitat Dresden, 폴란드의 University of S&t Krakow, 슬로베니아의 Jozef Stefan Institute 등이다.

주요기업으로는 네델란드 현미경 제작 회사인 FEI社와 Cs-corrector를 개발하는 CEOS社 등이 나노분석장비 개발을 주도하고 있으며, EU의 선진 연구그룹과의 공동 연구를 꾸준히 수행하고 있다.

최근 프랑스의 Universite Paris Sud는 최고의 성능과 안정성을 인정받는 NION社의 UltraSTEM를 구축하였고, 영국 옥스퍼드 대학은 Double Cs-correctd 전자현미경을 보유하고 있다.

▲ 프랑스 University Paris Sud의 UltraSTEM(왼쪽)과 영국 옥스퍼드대학의 double Cs-correctd 전자현미경(오른쪽)(자료 : https://esteem.ua.ac.be, ESTEEM project).

▲ UltraSTEM으로 분석된 LCMO/STO 박막소재의 원자 구조.

국가별로 살펴보면 영국에서는 AFM과 Nanoindentor를 활용하여 박막의 기계적 특성(경도·탄성계수·항복강도·크립 특성·점탄성 회복 특성·비탄성 회복 특성·밀착력) 측정 방법의 산업체 보급과 시험결과 모델링을 통한 박막 고유특성 평가 연구를 진행하고 있으며, CEN․ISO를 통한 시험방법 표준화를 추진하고 있다.

▲ Nano-indentation inspects the local hardness of sample material by indenting an AFM tip into the sample surface.

또한 유럽의 연구기관은 박막 밀착력 시험방법 분석을 통한 유용성 평가작업을 수행하였으며, scratch 시험방법에 의한 박막 밀착력 시험용 인증 기준물질 개발 연구를 진행하고 있다. scratch 시험으로 계면 에너지를 산출하기 위한 수학적 모델을 개발하고 있다.

이밖에 박막 마찰특성, 잔류응력 특성 평가방법 향상 연구를 진행하고 있으며, 현재까지의 연구결과를 바탕으로, 100nm 이하 두께 박막의 고유 기계적 특성 측정 및 모델링 방법 개발 연구를 최근에 시작하였다.

프랑스는 J. Tallal 그룹은 AFM을 이용하여 나노임프린트 공정에서 사용되는 점착방지막의 특성평가 연구를 수행하였다. 이들은 나노임프린트 리소그라피 공정중 몰드와 기판의 분리시 pull-off 특성이 고분해능의 모사에 매우 중요한 인자임을 확인하였다.

기초과학의 강국인 독일의 경우 Max Plank 연구소 중심으로 전자현미경에 in-situ 기능을 보완하여, 나노구조 소재의 계면 및 원자 분포 관측을 넘어선, 동적변화상태를 직접 관측하는 수준에 있다. 이 장비를 독일내의 나노 소재 개발 연구팀에 공개하여 공동 활용함으로써 새로운 나노 소재를 개발하기 위한 원천 기술로 활용하고 있다.

○ 선도 기관

▲ 나노분석기술 - 유럽의 선도 기관 .

◇ 일본

일본은 전자현미경 기술 선진국이며, JEOL․Hitachi와 같은 세계적 전자현미경 생산기업을 보유하고 있다. 특히 ‘첨단 연구시설 공용 이노베이션 창출사업’의 일환으로 ESTEEM과 유사한 ‘NanoTech Japan’이라는 연구기관의 네트워크를 구축하였으며 고도화된 계측·분석기술을 공용화할 수 있는 장을 만들어 소재 연구개발을 활성화시키고 있다.

전국의 산학연 관계자에게 최첨단의 연구시설을 제공하기 위해 채택된 13개 센터에는 동경대학교, 쿄토대학교, NIMS 등 26개 연구기관 참여하고 있다. 이들 센터는 나노계측분석, 초미세 가공, 분자·물질합성, 극한환경 등중에서 한 개 혹은 복수의 연구영역을 가지고 있다.

이중 나노계측분석(Nano-characterization and Analysis)을 통해서 나노기술에서의 소재강국 일본의 입지를 다져나 감과 동시에 일본 내 전자현미경 제작 회사와의 긴밀한 협력관계로 원자 분해능의 전자현미경 개발에 집중하고 있다.

최근 동경대학 Abe교수 연구팀과 JEOL사는 공동연구를 통해 중공원형 분사(hollow cone)의 형태의 이미지 디텍터를 이용하여 STEM에서의 최대 단점인 가벼운 원자를 검출하는 한계를 극복하는 새로운 기법을 소개하였다.

개발된 시스템은 TEM과 STEM의 장점을 구비함으로써 HRTEM에서도 원자구조의 위치정보를 찾기 힘든 수소원자를 검출하는데 성공하였다.

▲ YH2 소재에서의 수소이온 관찰 결과(자료 : Ishikawa et al. Nature Materials)(2011).

동경대학 후지타교수 연구팀은 u-STM 기술을 활용하여 나노 구조물의 property characterization에 대한 돋보이는 연구성과를 창출하였다. 또한 리츠메이칸(Ritsumeikan) 대학은 AFM을 이용하여 나노 구조물의 굽힘(bending) 및 피로 실험 연구를 수행하고 있다.

NIMS는 나노(결정)구조 분석을 공통 기반으로 다양한 나노 소재를 개발하는 방향으로 연구 체계를 혁신하였다. 고에너지 연구소(KEK)를 중심으로 가속기를 비롯한 고에너지를 활용한 소재구조 분석을 위해 대형 고가 장비를 공동활용하고 있다.

○ 선도 기관

▲ 나노분석기술 - 일본의 선도 기관.

◇ 국내 동향

○ 연구개발 현황

정부의 연구사업 중 소재 평가기반 구축과 관련되어 진행된 대표적 사업으로는 신뢰성향상사업이 있다. 이 사업은 부품·소재의 신뢰성 평가 인프라 구축(장비도입, 고장분석기술개발, 인증평가시스템 구축)사업으로 2000년부터 2007년까지 진행된 바 있다.

그러나 그 이후 인프라구축 지원은 중단되었으며 현재는 생산기업과 수요기업들이 컨소시엄을 구성하여 특정제품의 신뢰성을 향상시키는 연구개발위주의 사업으로 진행되고 있다. 부품의 수명과 관련된 평가기반구축에 중점을 두었기 때문에 원자레벨에서의 소재정밀분석기반 인프라 구축은 미흡한 측면이 있었다.

또한 정부의 녹색성장 기조를 바탕으로 청정․신재생에너지산업분야와 관련된 소재기술연구개발이 활발히 지원·수행되고 있다. 그러나 이러한 연구개발사업 역시 새로운 소재의 공정의 개발에 초점이 맞추어져 있다. 연구성과의 질적 향상 및 개발품의 상용화에 필수적인 물성발현기구 규명 및 고기능성 평가를 위한 분석기술 개발과 관련인프라구축에 대한 지원은 미흡한 실정이다.

이처럼 전자현미경을 이용한 연구는 지원 연구라는 인식이 팽배하여 나노펩·NCNT(나노기술집적센터)와 같은 나노분석 지원센터에 의한 지원 사업이 주도적이었다. 하지만 원자 레벨에서의 소재연구는 그 하나로서 독립되고 강력한 독립된 연구분야로서 적극적인 지원이 이루어져야 할 시기이다.

국내 주요 연구기관의 나노분석 연구현황을 살펴보면 다음과 같다.

KIST 나노분석팀은 최근 꾸준한 나노분석 인프라 구축과 인원 보충을 통하여 경쟁력을 강화하고 있다. 포스텍․울산과기대 역시 원자 레벨에서 소재 특성의 메카니즘을 규명하는 연구를 활발하게 수행하고 있다.

최근 재료연구소는 신규 나노분석 연구인프라를 구축한 바 있다. 이를 통해 이차전지 소재에서 리튬이차전지 소재에서의 원자결함이 어떻게 결정 내에 분포하는지를 수차보정 현미경을 이용하여 규명하였다.

▲ LiFePO4 에서의 격자구조 결함(자료 : 재료연구소, Choi et al, PRL)(2008).

기초과학지원연구원도 In-situ 분석용 수차보정 전자현미경의 시스템 구축을 추진하는 등 국내에서도 국내 나노분석 인프라에 대한 투자가 확대되고 있다.

주사탐침현미경(SPM)의 경우, Zygo·FEI·Veeco·Seiko·Nikon·Carl Zeiss 등의 미국·유럽·일본 업체가 주도하고 있지만 국내 업체인 PSIA는 원자 현미경 분야에서 기술력을 확보하여 시장을 넓혀가고 있는 상황이다. 또한 Park System·SNU precision·지우텍·nanofocus 등도 세계적 기술력 확보를 위해 노력하고 있다.

서울대·한양대·광주과기원·KAIST에서 SPM 관련 연구를 수행하고 있으며, (주)M2N에서는 AFM tip을 상용화 개발하고 있다.

국내 SPM 기술개발은 국내 메모리 분야에서 활발하다. 국내 반도체 제조기업은 제조공정관리를 위해 수준 높은 optical CD 측정 기술을 필요로 하나 국내 반도체 소자용 optical CD 측정기술은 전무한 실정으로 전량 해외 선진기술에 의존하고 있는 실정이다.

한국기계연구원은 세계 최고 수준의 분해능을 가지는 레이저 간섭기반의 비접촉식 변형률 측정 기술을 비롯한 다양한 나노스케일 기계적 물성 측정 기술을 보유하고 있다.

구체적인 예로 나노압입 시험기술, 나노기둥압축 시험, 나노띠굽힘 시험, 마이크로/나노 인장 시험, 마이크로 피로시험 등의 다양한 나노 스케일 시험 기술을 개발하여 나노 임프린트 공정에 적용하고 있다.

그리고 원자현미경을 이용한 나노물성 시험기술, 나노 프로브 응용 측정기술, 미소 시험기 제작 기술도 함께 개발하고 있으며, 임프린트 공정의 소자 응용성을 위하여 전기-역학, 광학-역학 등의 복합 물리현상 연구도 진행하고 있다. 또한, 나노소재의 형상과 기계적 물성을 정교하게 측정할 수 있는 수직형 AFM probe를 개발하고 있다.

한국표준과학연구원은 SPM을 이용한 나노 역학특성(강성·탄성 등) 화상을 얻기 위한 연구를 진행하고 있다. 박막두께 측정기술 확립을 위한 초정밀 reference ellipsometer의 제작에 관한 연구를 수행하였으며, SiO2·Si3N4·Polysilicon·Oxynitride 산화막의 두께 측정용 CRM을 개발하고 있다.

두께 5nm이하의 SiO2 박막 두께용 CRM을 세계 최초로 개발하였으며 삼성전자·SK하이닉스(구 하이닉스) 등의 반도체 업체에 보급하고 있다. 또한, 나노구조체를 제작하고 기계적·전기적·광학적 특성분석을 하고 있다.

SPM을 이용한 연질소재 변형특성 측정, 기억소자 활용과 같은 실용화 연구가 일부 대학을 중심으로 진행되고 있다. 나노압입 연구의 경우 서울대·표준과학연구원·한양대·경남대·부산대 등에서 다양하게 수행되었으나 SPM을 이용한 nanometrology 연구는 초기 단계이다.

한국표준과학연구원은 nm급 박막의 표면거칠기 영향·경도·항복강도·계속구속 및 잔류응력 등을 나노압입시험을 통해 정량화할 수 있는 기술을 개발하고 있다. 또한 CNT 복합형 프로브를 이용한 sub-nm급 정밀형상 측정기술, SPM 캔틸레버의 강성교정 기술, 비정질 소재를 이용한 GMI 센서, 혈압 측정 등에 대한 연구를 수행하고 있다.

▲ Conductive Probe Atomic/Friction Force Microscopy and Nanoscale Friction & Manipulation of CNT.

전자현미경을 이용한 실시간 동적거동에 대한 연구는 서울대·인하대·성균관대·포스텍 등 일부 대학에서 진행되고 있다.

성균관대 양철웅교수 연구팀의 경우에 실시간 거동을 관찰하기 위한 샘플 장입 장치 개발에 주력을 하고 있다.

서울대 김영운교수 연구팀은 소재의 온도 및 가압에 의한 샘플 장입 장치를 이용하여 소재의 물성 메카니즘을 규명하고 있으며, 소재를 인장하면서 생기는 결함의 분포와 이에 따른 변형거동을 분석한 결과를 발표하였다.

KAIST 정성윤교수 연구팀은 기초과학지원연구원과의 공동연구를 통해서 리튬 이차전지의 양극활성 물질에서 고온에서의 양이온 intermixing 을 실시간으로 관찰하였다.

포스텍 오상호교수 연구팀은 고온 또는 indentor를 이용한 국부적 기계적 가압을 통하여 실시간 동적 거동을 분석하고 있다. 액상 Al이 사파이어 나노와이어로 전이가 되는 메커니즘을 실시간으로 규명하였고, 이와 더불어 자유지지 상태인 Al의 변형거동을 관찰하여, 발생된 전위가 쉽게 자유 표면으로 방출되는 변형거동을 실험적으로 확인하였다.

▲ 액상Al에서 사파이어 나노와이어가 생성되는 성장 메카니즘을 규명한 결과(자료 : Oh et al. Nature)(2009).

○ 선도 기관

▲ 나노분석기술 - 국내의 선도 기관 .

■ 기술경쟁력분석

▲ 나노분석기술 - 기술격차 및 기술수준 .

■ 제언

해외 선진연구기관은 나노분석기술 개발의 인프라구축, 첨단 분석기술 개발을 위한 연구개발투자를 강화하고 있지만 국내 연구 인프라 및 기술수준은 선진국에 비해 미흡한 수준에 머물고 있다. 따라서 첨단소재개발에서 연구의 질적 향상을 위한 나노소재분석기술의 중요성이 새롭게 인식하고, 나노분석 분야는 고가의 장비가 요구되는 분야이므로 거점 연구소 중심의 인프라 구축이 필요하다.

또한 소재분야 연구성과의 질적 향상 및 국제적 우위성 확보를 위해서는 미국·일본·유럽과 마찬가지로 나노분석과 관련된 컨소시엄 또는 네트워크를 구축하여 인프라를 공유하고 장기적인 연구사업을 함께 도모하는 시스템 구축이 요구된다.