[김대식 교수] “0 나노미터 광학 소자”제조 기술 개발.. 나노 공정 기술의 한계 극복!

UNIST 김대식 특훈교수팀, 금속 미세 틈 기반 고효율 광학소자 개발 반도체 초미세 소자 제조 등에도 응용 가능....Adv. Opt. Mater. 논문 게재
April 15, 2021  |  편집위원

김대식 교수 연구팀은 0나노미터 부터 시작하는 초미세 틈 구조 제작공정을 개발하고 이를 고효율 광학 소자로 응용했다.

나노 공정 기술 개발 속도가 더뎌지고 있다. 나노 공정은 고성능 반도체 칩 개발 등 초정밀 산업을 위한 핵심기술이지만, 초미세 구조 공정 단위가 0에 가까워질수록 기술 개발 속도 또한 한계치에 수렴해 가고 있기 때문이다. 더 이상 초미세 구조로 줄여 나가는 것이 쉽지 않다면, 아예 0부터 구조를 쌓아나가는 것이 더 합리적이지 않을까?

UNIST(총장 이용훈) 물리학과의 김대식 특훈교수와 그 연구팀은 이 같은 발상에서 착안해 0 나노미터(nm, 10-9m)부터 시작하는 초미세 틈 구조(zero gap) 제작 공정을 개발했다. 이 ‘제로 갭 구조’를 잘 휘어지는 기판에 만들면 안테나 등에 쓸 수 있는 초고효율 광학 능동 소자로 작동한다.

그림1. 0 나노미터 광학 소자의 제작 방법 및 작동 원리

연구진이 개발한 제로 갭 구조는 얇은 금속 층으로 이뤄져있다. 기판위에 두 금속 층을 서로 인접하게 쌓을(증착) 경우 경계면에서만 초미세 균열이 생기는 원리를 이용했다. 같은 금속 물질을 서로 다른 조건에서 기판 위에 쌓았기 때문에 이 같은 현상이 발생한다. 기판을 휘게 해 당기는 힘(장력)을 가하면 0 나노미터에 가까운 틈새가 생기지만 장력을 제거하면 두 금속 층이 연결된 상태가 된다.

그림2. 0 나노미터 광학 소자의 특성분석

그림2. 0 나노미터 광학 소자의 특성분석

이처럼 열고 닫을 수 있는 제로 갭(틈) 구조는 전자기파(빛) 투과도가 1에 가까운 ‘on’과 10-5 정도인 ‘off’ 상태를 오가는 능동 광학 소자로 쓸 수 있다. 틈이 열려 있을 땐 축전 효과에 의해 틈 내부에 전기장이 강하게 증폭돼 전자기파가 높은 비율로 투과하지만, 틈이 일부만 닫히더라도 축전 기능이 사라져 투과도가 급격히 낮아지기 때문이다. 스위칭의 효율을 나타내는 on/off 비율은 무려 105에 달하며, on/off 전환을 무려 10,000번 이상 반복한 이후에도 성능을 그대로 유지했다.

김대식 특훈교수는 “틈 구조를 이용한 광학소자는 확실한 ‘단락’(on-off)이 존재하는 전기 회로 개념이 적용돼 스위칭 효율이 높다”며 “복잡한 나노 공정이 필요하지 않기 때문에 실제 소자로 즉각 활용하기에도 수월하다”고 설명했다. 일반적으로 안테나 구성 물질을 바꿔 광학신호를 변조하는 경우 물질의 유전율(3~4)과 공기의 유전율(1) 차이가 크지 않아 광학 소자의 효율이 낮았다.

공동연구원인 강원대학교 물리학과 정지윤 교수는 “마이크로파 및 테라헤르츠 파뿐만 아니라 중·근적외선 영역에서도 매우 효율적인 전자기파 단락이 가능하다”고 설명하며 “5G 및 6G 통신에 활용되는 마이크로파와 테라헤르츠파 제어를 위한 차세대 능동 소자로 활용 가능성이 높다”고 전망했다.

한편, 0 나노미터 광학소자 제작 기술은 반도체 소자 제작에도 쓰일 수 있다. 금속 대신 쉽게 제거(식각) 가능한 고분자 물질 등으로 초미세 틈 구조를 만들고 이 틈 사이에 반도체 물질을 증착하면 1 나노미터 미만의 폭을 가진 소자 제작이 가능하다. 삼성, 인텔, TSMC 등의 반도체 기업의 소자 집적화 기술이 한계에 이른 상황에서 이를 극복할 차세대 기술로 응용 가능하다.

 

Journal Reference:
이번 연구는 광학 소자 분야의 세계적인 저널 ‘어드밴스드 옵티컬 머티리얼즈’ (Advanced Optical Materials)에 3월 24일자로 공개됐다. 한국연구재단 (NRF)의 지원을 받아 UNIST와 서울대, 강원대학교의 공동 연구로 수행됐다