SPM 신호 정확도 저해 요인 규명한 카이스트... 나노 소재 분석 신뢰성 높인다

[녹색경제신문 = 이지웅 기자] 홍승범 카이스트 신소재공학과 교수 연구팀이 미국 버클리 대학 레인 마틴(Lane W. Martin) 교수팀과의 국제 공동연구를 통해 주사탐침현미경 측정의 최대 난제였던 신호 정확도를 저해하는 핵심 요인을 규명했다. 또한 이를 제어하는 획기적인 방법을 같이 제시했다. 

나노스케일에서의 전기적 특성 측정은 차세대 반도체, 메모리 소자 등의 개발에 필수적이다. 이는 주사탐침현미경(SPM)은 나노물질의 특성을 원자 수준에서 분석할 수 있는 핵심 장비로서 활용된다. 특히 전기적 분석을 진행할 때, 상단전극 대신 매우 얇은 나노미터 단위의 금속 팁 상단 전극처럼 사용해 디바이스를 구성하고 분석할 수 있다. 

다만 그동안 SPM을 이용한 측정에서 발생하는 오차의 원인이 명확히 규명되지 않아 정밀한 분석이 어려웠다. 

연구팀은 현미경 탐침과 시료 표면 사이에 존재하는 비접촉 유전 간극이 측정 오차의 주요 원인임을 밝혀냈다. 이 간극은 측정환경에서 쉽게 변조되거나 오염물질로 채워져 있어 전기적 측정에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.

이에 연구진은 물과 같은 고유전율 유체를 이용해 이 간극을 채우는 방법을 고안해 나노스케일 분극 전환 전압 측정의 정밀도를 8배 이상 향상했다. 이러한 접근 방식을 통해 기존의 대칭 커패시터 구조에서 얻은 결과와 거의 일치하는 값을 얻을 수 있다. 이를 통해 강유전체 박막의 특성 분석에 새로운 장을 열 것으로 기대되고 있다.

특히 연구진은 규칙적으로 위아래 전기적 특성이 정렬된 리튬 니오베이트(PPLN, 광학 및 전자 소자에 사용되는 특수 결정) 물질에 물을 매개체로 사용했을 때, 기존보다 월등히 높은 정밀도의 압전 반응력 현미경(PFM, 물질의 미세 전기적 특성을 관찰하는 특수 현미경) 측정에 성공했다.

물로 제어된 유전 간극에서는 다른 분극 신호 간의 비대칭성이 4% 이하까지 떨어지는 것을 확인했다. 이는 물 분자가 표면 전하를 중화시켜 정전기력 영향을 최소화한 결과로 분석된다. 

홍 교수는 "이번 발견은 미세 탐침을 활용한 나노스케일 측정 기술의 불확실성 문제를 해결할 수 있는 기반 연구”라며 “강유전체뿐만 아니라 다양한 기능성 재료의 전기적 특성 분석에 널리 적용될 수 있을 것”이라 밝혔다.