수소결합이 그리는 비대칭 나노선

수소결합*1을 이용해 지금까지의 기술로는 불가능하다고 여겨졌던 비대칭적이며 폭 간격이 수 나노미터(1nm는 머리카락 10만분의 1)에 불과한 나노패턴을 실리콘 기판 위에 구현하는 방법이 개발됐다.

화학공학과 블록공중합체 자기조립연구단 김진곤 교수·한성현 박사 연구팀은 미국 텍사스주립대학의 벤캣 가네산(Venkat Ganesan) 교수팀과 공동으로 바텀업(Bottom up)*2의 자기조립방법으로는 불가능했던 패턴 간격이 다른 비대칭 나노패턴을 실리콘 기판 위에 수직으로 정렬하는 기술을 개발, 나노분야 권위지인 ACS Nano지 온라인판 최신호를 통해 발표했다.

차세대 반도체용 리소그라피*3의 새로운 대안으로 평가받는 이 기술은 수소결합을 이용해 계면의 구조를 조절하면 나노구조가 변하는 원리를 이용했다.

서로 다른 종류의 고분자가 화학적으로 결합된 블록공중합체는 대면적에 빠르게 나노 패턴을 형성할 수 있는 나노 소재로 각광받아 왔지만, 반도체 기술에 필요한 리소그라피 단계에서 라인 패턴의 간격을 조절할 수 없다는 한계가 있었다.
 
연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 수소결합이 가능한 두 개의 블록공중합체를 사용하여, 10 나노미터 (nm) 이하의 라인 간의 간격을 조절할 수 있는 기술을 개발했다. 이 기술은 리소그라피용으로 블록공중합체 사용의 한계를 극복하여 대면적에서 초고밀도 반도체뿐만 아니라 나노회로 디자인에도 적용이 가능해 차세대 리소그라피 기술 개발에 새로운 길을 제시한 것으로 평가받고 있다.

연구를 주도한 김진곤 교수는 “커다란 구조에서 미세하게 잘라내는 톱다운(Top down) 방법이 아니라 원자·분자부터 나노구조가 자동적으로 형성되는 자기조립 현상을 이용하는 바텀업(Bottom up)방법을 이용해서도 10나노미터이하의 비대칭 나노패턴을 제조할 수 있는 이 기술은 차세대 반도체의 핵심기술중 하나인 차세대 리소그라피 개발에 큰 도움을 줄 것으로 기대된다”고 밝혔다.

한편, 이 연구는 교육과학기술부가 지원하는 ‘창의적 연구진흥 사업’의 지원 아래 수행됐다.

1. 수소결합
산소, 나트륨 등 전기음성도가 매우 큰 원자에 결합된 수소를 함유하는 분자들은 ‘수소결합’으로 불리는 분자사이(intermolecular)의 결합을 지닌다. 하나의 분자에서 양(+)의 성질을 지니는 수소는 다른 분자의 음(-) 성질을 가진 원자의 인력을 받게 된다.
특히 수소결합은 물의 녹는점과 끓는점에 관여한다.

2. 바텀업(Bottom up)과 톱 다운(Top down)
나노구조를 만들기 위한 방법으로 바텀업은 원자나 분자가 자동으로 형성되는 자기조립현상을 이용해 구조를 만들어가는 방식이며 톱다운 방법은 커다란 구조를 만들고 이를 약품 등의 방법으로 미세한 구조로 잘라내는 방식이다.

3. 리소그라피
나노 크기의 회로를 패턴으로 기록하는 방식. 집적회로의 집적도가 높아질수록 더욱 관심을 모으는 이 기술은 레지스트라고 하는 재료에 먼저 미세 패턴을 만들고 이를 석판화처럼 기판에 전사(轉寫)해 나노구조를 만들어내는 방법이다.