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<자료문의> 연세대학교 신소재공학과 심우영 교수(02-2123-2857)

대면적 측정 가능한 다중 탐침 주사 탐침 현미경 개발

간단한 탐침 구조로 측정 면적 및 속도 향상 기여

□ 하나의 뾰족한 바늘인 탐침을 이용하여 3차원 이미지를 얻을 수 있는 주사 탐침 현미경(Scanning probe microscopy, SPM). 여기에 100여개 탐침을 도입하여 그 성능이 더 좋아진 현미경을 국내 연구진이 개발하였다.

□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 심우영 교수(연세대학교 신소재공학과) 연구팀이 캔틸레버* 없는 간단한 탐침구조를 이용한 다중 탐침 주사 탐침 현미경을 개발했다고 밝혔다.

* 캔틸레버 : 탐침의 지지대 역할을 하는 긴 판상 형태의 구조물

□ 주사 탐침 현미경은 뾰족한 탐침을 이용해 시료를 훑으며 표면의 미세한 3D 형상을 측정하는 장비인데, 이는 단일 원자 수준의 높은 분해능을 장점으로 현재 나노과학의 핵심 측정 기술로 활용되고 있다.

○ 하지만, 기존 주사 탐침 현미경은 하나의 탐침으로 전체 표면을 측정하는 특성상 측정 면적과 속도가 제한적인 단점이 있어, 국소 면적을 측정하는 단순 연구용으로는 활발히 사용되어 왔으나 산업적으로 활용되기에는 제약이 있었다.

○ 측정 면적을 넓히기 위해서는 탐침의 개수 또한 늘려야 하지만, 기존의 캔틸레버 기반 탐침은 구조가 복잡하여 여러 개의 탐침으로 제작하기가 어려웠다.

□ 이에, 연구팀은 캔틸레버가 없는 간단한 구조의 다중 탐침 어레이(Cantilever-free tip array)와 이를 표면 측정에 활용할 수 있는 이진 상태 주사 탐침 현미경(Binary-state probe microscopy, BSPM) 기법을 통해 대면적 측정까지 가능한 다중 탐침 주사 탐침 현미경을 개발하였다.

□ 기존 다중 탐침 주사 탐침 현미경은 탐침과 표면간의 상호작용을 연속적인 값으로 감지하여 측정하는 방식을 가지고 있어 이를 수행할 캔틸레버 구조가 반드시 필요 했으나,

○ 연구팀은 표면과의 접촉 또는 비접촉 두 가지 상태만을 감지하여 측정이 가능한 이진 상태 주사 탐침 현미경 기법을 고안, 캔틸레버 없이도 활용할 수 있는 탐침 측정 장비를 개발 한 것이다.

○ 나아가, 개발된 현미경이 가진 100여개의 탐침을 동시에 사용하여 1mm2 표면 측정에 성공, 기존 주사 탐침 현미경 기술의 약 100배에 해당하는 넓은 측정 면적을 확인하였다.

□ 심우영 교수는 “이번 성과는 주사 탐침 현미경으로 대면적 표면 이미징을 가능하게 한 중요한 연구결과”이며 “소부장(소재·부품·장비)의 원천 기술 확보 차원에서 의미 있는 결과”라고 덧붙였다.

□ 주사 탐침 현미경 기술의 근본적인 문제였던 부족한 측정 생산성 향상에 기여하게 될 본 연구 성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리사업 등의 지원으로 수행되었고 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 3월 17일 게재되었다.

주요내용 설명

<작성 : 연세대학교 심우영 교수>

논문명	Binary-state scanning probe microscopy for parallel imaging
저널명	Nature Communications
키워드	Scanning probe microscopy (주사 탐침 현미경), Topography measurement (토포그래피 측정), Multiple tip array (다중탐침어레이)
DOI	doi.org/10.1038/s41467-022-29181-z
저 자	심우영 교수 (교신저자/연세대학교), 김광묵 박사 (제1저자/연세대학교), 김어진 (연세대학교), 도형완 박사 (연세대학교), 조민균 (서울대학교), 김성순 (연세대학교), 강신일 교수 (연세대학교), 김도헌 교수 (연세대학교), 천진우 교수 (연세대학교)

< 연구의 주요내용 >

1. 연구의 필요성

○ 주사 탐침 현미경(Scanning probe microscopy, 이하, SPM)은 뾰족한 탐침을 이용해 시편을 훑으며 표면의 나노토포그래피 (Nanotopography)를 측정하는 기술이다. SPM 기술은 단일 원자 수준의 높은 분해능을 장점으로 현재 나노과학의 핵심 측정 기술로 활용되고 있다.

○ 하지만 SPM은 하나의 탐침으로 모든 표면을 스캐닝하는 특성상 측정면적과 속도가 제한되는 단점이 있는데, 일반적으로 사용되는 원자힘현미경 (AFM)의 경우 수분 당 수십 마이크로미터 면적을 측정하는 수준으로 생산성이 매우 낮아 SPM 기술이 산업적으로 활용되는데 큰 제한사항이 되고 있다.

○ 이러한 낮은 측정 생산성을 극복하기 위해 다중탐침(multiple tip array) SPM이 제안되었지만 현행 캔틸레버 구조 다중탐침의 제작과 운용이 지나치게 어려워 실용화되지 못하였다.

2. 연구내용

○ 본 연구는 이러한 기존 다중탐침 SPM의 한계를 극복하기 위해 캔틸레버가 없는(Cantilever-free) 탐침구조와 이를 이미징에 활용할 수 있는 이진상태 주사 탐침 현미경 기법(Binary-state probe microscope, 이하 BSPM)을 개발하였다.

○ 캔틸레버가 없는 탐침은 기존 정교한 실리콘 가공을 통해 제작되는 캔틸레버 구조 탐침과 달리, Polydimethylsiloxane과 같은 유연성 폴리머를 실리콘을 식각하여 만들어진 탐침 모양 틀에 몰딩하는 방식으로 제작되어 다중탐침 제작이 매우 간단하다.

○ BSPM 기법은 이러한 캔틸레버가 없는 탐침을 표면 측정에 활용하기 위한 것으로, 샘플과의 접촉/비접촉 두 가지 상태를 감지해 정밀 표면형상을 측정하는 기법이다. 감지 상태가 단순화되어 탐침 개수가 늘어나더라도 쉽게 측정/운용 시스템을 구성할 수 있고 교정 작업 없이 모든 탐침이 동일한 측정 정확도를 갖는 장점이 있다.

○ BSPM 장비를 실제 구현해 1.8 nm의 높은 해상도를 확인하고 100개의 팁을 동시 측정하는데 성공하였으며 1mm2 표면을 측정해 기존 주사 탐침 현미경의 100배 더 넓은 측정면적을 확인하였다.

3. 연구성과/기대효과

○ STM, AFM등의 기존 SPM 기술은 매우 높은 측정해상도를 장점으로 전자소자, 생명과학 연구 등 여러 분야에 널리 사용되어왔으나 제한된 측정면적으로 인해 그 용도가 대부분 연구용 국소이미징 분야에 국한되어왔다.

○ 다중 탐침을 동시에 운용하여 대면적 측정이 가능한 BSPM 기법은 기존 이미징 기술이 응용되지 못했던 반도체 미세 공정 모니터링, 나노 물질 고속 스크리닝 등에 쓰임이 확대되어, 지속적 연구로 실용화 된다면 산업적 파급력이 있을 것으로 예상된다.

○ 특히 차세대 전자소재로 연구되고 있는 이차원 물질의 경우, 원자층 수에 따른 물성 변화가 큰 특징을 가지고 있어 대면적 토포그라피 측정이 필수적이기 때문에 이차원 물질을 응용한 제품 제작 공정에 본 발명의 활용성이 클 것으로 예상된다.

그림 설명

(그림1) 다중탐침을 이용한 이진 상태 주사 탐침 현미경 이미징 구조 개념도

이진 상태 주사 탐침 현미경은 여러 개의 탐침과 하나의 압전 구동 소자로 구성된다. 여러 개의 탐침이 시료 표면과의 접촉을 각각 감지하면, 접촉이 일어난 시간정보를 압전 구동 소자의 위치 값과 대응시켜 고해상도 표면형상을 구성한다.

그림설명 및 그림제공 : 연세대학교 신소재공학과 심우영 교수

(그림2) 100개 탐침을 이용한 1 mm2 면적 측정 결과

1 cm 길이에 배치된 100개 탐침어레이(좌측 사진)를 이용하여 1 mm2 면적 테스트 샘플을 측정한 결과 (우측 사진).

그림설명 및 그림제공 : 연세대학교 신소재공학과 심우영 교수

연구 이야기

<작성 : 연세대학교 심우영 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

부족한 측정 생산성은 주사 탐침 현미경계의 오랜 관심사였다. 이러한 문제를 해결하기 위해 리소그래피 분야에서 쓰이고 있는 캔틸레버가 없는 대면적 탐침구조를 이미징에 활용하면 좋겠다는 생각으로 연구를 시작하게 되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

연구는 캔틸레버가 없는 탐침구조를 설계하고 이에 맞는 측정기법을 고안하는 방식으로 진행되었다. 최초 몇 가지 후보 탐침구조와 측정기법을 시도한 끝에, 현재의 금속 코팅 탄성체 탐침과 이를 이용한 이진 상태 주사 탐침 현미경 기법이 확립되었고 그 이후 이를 실제 장비화하는 연구를 진행했다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

기존 SPM 기술을 발전시키는 것이 아닌, 측정 기법부터 실제 장비 구성까지 새롭게 해야 하는 연구라 시행착오가 굉장히 많았다. 특히 연속적인 측정값을 얻기 어려운 단순한 탐침구조를 사용하여 고분해능 이미징을 구현하는 것이 매우 어려웠는데, 접촉/비접촉 두 가지 상태만을 감지해 표면을 측정할 수 있는 이진 상태 주사 탐침 현미경 기법을 고안하여 해결하였다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존의 다중 탐침 주사 탐침 현미경 연구와 가장 큰 차이점은 ‘탐침의 구조’다. 기존의 연구는 캔틸레버 기반의 탐침을 사용하는데 이러한 구조는 정교한 제작공정이 요구되고 실제 측정에 필요한 감지시스템이 복잡해 다중탐침으로 운용하기에 어려움이 있었다. 본 연구는 캔틸레버가 없는 간단한 탐침구조를 사용해 제작공정의 복잡성을 크게 줄였고, 접촉/비접촉 두가지 상태만으로 표면형상을 측정하는 이진 상태 주사 탐침 현미경 기법을 고안해 다중탐침의 감지시스템을 쉽게 구성할 수 있도록 하였다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

주사 탐침 현미경은 나노미터 수준의 아주 미세한 표면형상을 측정할 수 있는 장비로 거의 모든 연구·산업분야에 활용할 수 있는 기초 측정 기술이다. 주사 탐침 현미경은 현재 2D물질·표면화학·생물분자 연구 등 주로 학계에서는 주로 활용 중이며, 본 연구에서 개발된 대면적 이진상태 주사 탐침 현미경을 통해 반도체·디스플레이·정보저장장치 분야 공정 모니터링등 대면적 산업 수요까지 대응 가능할 것으로 기대된다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

현재 연구는 이진상태 주사 탐침 현미경의 개념을 실증한 단계로 향후 이를 발전시켜 웨이퍼 수준의 대면적 측정이 가능한 시스템을 개발하고자 한다. 또한 비전도성 표면을 측정할 수 있는 접촉 감지 매커니즘을 개발해 측정 가능한 시료의 폭을 더욱 넓히고자 한다.

연구자 소개

<심우영, 교신저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 연세대학교 신소재공학과

○ 전 화 : 02-2123-2857

2. 학력

○ 1996 ~ 2004	연세대학교 금속공학 학사

○ 2004 ~ 2006	연세대학교 신소재공학 석사

○ 2007 ~ 2012	미국 Northwestern 대학교 재료공학 박사

3. 경력사항

○ 2012 ~ 2014	미국 Harvard 대학교 박사후 연구원

○ 2014 ~ 2018	연세대학교 신소재공학과 조교수

○ 2018 ~ 현재	연세대학교 신소재공학과 부교수

○ 2018 ~ 현재	Director, Center for Multi-dimensional Materials

○ 2018 ~ 현재	연세대학교 IBS Center for Nanomedicine 교수

○ 2018 ~ 현재	연세대학교 치과대학 겸임교수

4. 전문분야 정보

○ 신소재공학

5. 연구지원 정보

○ 2018 ~ 현재	한국연구재단 미래소재디스커버리사업

<김광묵, 제1저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 연세대학교 신소재공학과

○ 전 화 : 02-2123-8317

2. 학력

○ 2010 ~ 2016  연세대학교 신소재공학과 학사

○ 2016 ~ 2021  연세대학교 신소재공학과 박사

3. 경력사항

○ 2021 ~ 현재	연세대학교 KIRUI연구단 연구교수

4. 전문분야 정보

○ 신소재공학