나노기술 개발동향
나노 박막 및 구조체의 물성측정기술에 대한 정보분석연구
이 호 신
† ⋅서 주 환⋅이 일 형⋅이 학 주*
한국과학기술정보연구원, *한국기계연구원
R&D Trend and Information Analysis for Physical Property Measurement of Nano Thin Films and Nano Structured Materials
Ho-Shin Lee
†
, Ju-Hwan Seo, Il-Hyung Lee, and Hak-Ju Lee*Korea Science and Technology Information (KISTI), *Korea Institute of Machinery & Materilas (KIMM)
Abstract: 나노박막은 반도체, 디스플레이, 코팅 및 MEMS/NEMS 구조물들에 있어서 기본 구성 요소이기 때문에 그 중 요성이 날로 더해가고 있다. 따라서 이들 산업 분야에서 경쟁력을 갖추기 위해서는 시행착오적인 생산 방식에서 탈피하 여 다양한 물성 확보, 해석에 기초한 설계, 시제품 생산, 시험 평가, 재설계, 양산, 신뢰성 평가에 이르는 전 과정을 거 쳐야한다. 박막 물성 평가법은 이와 같은 과정의 출발점에 위치해 있으며, 실제 구조물을 형성하고 있는 박막과 동일한 공정 및 크기로 시험편을 제작하여 설계에 필요한 물성 값들을 얻는 것이 이상적이다. 21 세기 국가경쟁력의 시금석이 될 나노기술에 필요한 측정기술은 대상체의 크기나 두께 등과 같은 물리적인 양을 측정하는 형상 측정기술과 물성 측 정 등으로 구분할 수 있으며, 본 고에서는 특히 나노 박막 및 구조물의 기계적 물성 측정기술에 대한 연구개발동향과 정보분석을 중심으로 기술하였다.
Keywords: nano thin film, MEMS, membrane, information analysis, physical property
1. 서 론
1)
나노측정기술은 나노기술의 기반이 되는 핵 심기술로 ‘나노미터 수준의 형상ㆍ치수ㆍ물성ㆍ 구조 및 성분을 나노미터 수준의 정확도로 계 측하고 분석해내는 기술’이라 정의할 수 있다.
실험실에서는 나노측정기술에 이용될 수 있 는 많은 원리의 구현들이 이루어져 왔으나, 기 술의 일반화 또는 상업화까지는 아직도 많은 연구들을 필요로 하고 있다. 또한 기존의 것과 는 다른 새로운 측정원리에 의존해야 할 핵심 적인 기술들이 여러 부문에서 요구되고 있다.
따라서 실제의 나노기술은 나노측정의 기술적 또는 이론적 한계와 타협점을 찾으면서 진행 되며, 측정기술의 발전은 나노기술의 발전으로 이루어 질 것이다.
†주저자(E-mail: [email protected])
나노측정기술의 특징은 다음과 같다. 첫째,
제작 방법이나 사용물질이 무엇이냐에 크게
좌우되지 않는 공통기술이라는 점이다. 둘째,
측정대상물을 기하학적으로 근사하는 방법론
만으로는 정확한 데이터를 얻을 수 없으며, 기
본적으로 분자동력학에 기초한 탐침신호 자체
에 대한 이해가 필요한 학제간(interdiscipli-
nary) 연구가 필요하다. 셋째, cross-cut tech-
nology 중의 하나이다. 즉, 전 과정에서 정확
한 측정이 수반되지 않으면 제품이 원하는 방
향으로 만들어질 확률은 거의 영(zero)에 가깝
다. 넷째, 나노측정기술은 그 자체가 목적이
아니라 나노기술이 이루어질 수 있도록 도와
주는 기반기술이라고 할 수 있으며, 최근에는
측정 및 분석 기술에 기반한 장비개발에도 많
은 연구가 이루어지고 있다. 마지막으로, 나노
측정기술은 아직 정립되지 않은 기술이다. 또
한 정확하게 기술이 어느 방향으로 발전되어 산업의 표준화로 정해질지 모르기 때문에 많 은 경우 시행착오가 예상되며, 어느 기술이 표 준으로 정해지느냐에 따라 산업에 큰 영향을 주리라 예상된다. 현재 대부분의 기술이 연구 수준이며, 제품화는 나노기술의 발전 방향에 따라 많이 변할 수 있을 것으로 예상된다.
2. 기술 동향
2.1. 나노압입시험법
압입시험법은 재료의 기계적 물성치를 측정 하기 위하여 현재 가장 널리 사용되고 있는 방법의 하나로 측정의 간편함과 시편 준비의 편리함 때문에 주로 사용되고 있다. 미소 소 재, 즉 특성 길이가 1 µm 이하인 구조물은 인 장 시험용 시편을 제작하기가 매우 어렵다. 미 소 소재에 대한 인장 시험용 시편을 만들기 위해서는 MEMS 제작에서 이용되는 미소 가 공 기술을 적용하지만, 제작하고자 하는 시편 의 크기, 형상, 재료에 따라 많은 노력과 비용 을 필요로 하는 경우가 대부분이다. 이에 반하 여 압입시험은 시험 방법이 매우 간단하고, 시 편 형상에 대한 제약이 거의 없으므로, 각종 코팅 소재나 반도체와 MEMS 등에서 사용되 는 미소 소재 등에 활발하게 적용되고 있다.
Sub nanometer와 submicron newton의 정확 도를 가지는 나노압입시험기가 개발되어 많이 사용되고 있다. 일정 주파수(보통 45 Hz)와 진폭(보통 2 nm)으로 시험기를 가진시키면서 압입시험을 수행하고 시험편의 동적 응답특성 을 이용하여 박막의 기계적 특성을 평가하는 방법이 쓰이고 있기도 하다.
압입시험은 시편 제작이 매우 간단하다는 장점이 있는 반면, 시험 결과의 해석이 인장시 험이나 굽힘시험 등에 비하여 상대적으로 어 렵다는 단점이 있다. 현재까지 여러 연구자들 이 압입시험 결과의 해석에 대한 이론들을 제 시하였지만, 소성, 점탄성, 파괴, 점착 등의 복
잡한 재료 거동과 모재/박막 상호작용 효과 등을 모두 포함하는 완전한 압입 이론은 아직 까지 개발되지 못하고 있다.
나노압입시험에서는 압자를 소재에 압입하 면서 발생하는 하중과 변위를 연속적으로 측 정하고, 측정된 변위와 하중으로부터 압흔의 면적을 유추하는 방법을 사용한다. 이것은 압 입 시험 시에 발생하는 압흔이 매우 작아서 현미경으로 직접 압흔을 측정하는 것이 쉽지 않은 경우에 유용한 방법이다. 나노압입시험에 서는 매우 정밀한 하중 및 변위 센서가 사용 되며, 나노 소재의 물성을 간편하게 측정할 수 있는 장점이 있다. 또한 적절한 압입 이론과 결부된다면 탄성계수와 경도뿐만 아니라, 잔류 응력, 점탄성 물성, 유동곡선(flow curve) 등 을 측정하는 데에 이용될 수 있다. 압입 이론 은 기본적으로 접촉 역학(contact mechanics) 에 그 기초를 두고 있다. 19세기말 Hertz가 두 개의 구형 표면 사이의 접촉 문제를 해석한 이후에 여러 연구자들에 의해 접촉 역학이 연 구되어 왔고, 최근까지의 연구 결과에 대한 정 리는 Johnson의 저서에서 찾아볼 수 있다. 구 형 및 원뿔형 압자를 이용한 압입 시험의 해 석에 관하여는, Sneddon의 연구를 기본으로 여러 연구자들이 이론적, 수치적, 실험적 연구 결과들을 발표하여 왔다. 현재 나노 압입 시험 에서 가장 널리 채택되고 있는 이론은 Oliver 와 Pharr의 이론이다.
최근에도 나노압입시험의 측정 정밀도를 향
상시키기 위한 다양한 연구가 진행되고 있으
며, 특히 탄소성 유한요소 해석을 이용하여 시
험 결과를 정량화하고, 기저층(substrate)의
영향, 압입자의 반경 등 실험 변수의 영향을
체계적으로 연구하려는 시도가 이루어지고 있
다. 특히, 나노소자 및 마이크로소자의 제작에
폴리머 재료의 사용이 증가하면서 점탄성거동
및 크립거동 등 폴리머의 기계적 거동을 규명
하려는 시도가 시작되고 있다.
2.2. 굽힘시험 및 벌지시험(Bulge Test)
이 방법은 microbeam bending, wafer cur- vature와 벌지시험 등을 포함하여 통칭한다.
굽힘시편 제작 방법은 microfabrication 방식을 이용하며, 일반적인 시편의 구조는 한쪽 끝이 모재와 붙어 있는 자유지지 외팔보(freestand- ing cantilever beam)이다. 시편 치수는 두께 가 마이크로미터에서 서브마이크로미터, 폭이 수십 마이크로미터, 길이가 수백 마이크로미터 이다. 시험 방식에는 나노압입시험기 같은 고 분해능을 가진 장비를 이용하여 시편에 굽힘 하중을 부가하는데, 이러한 굽힘시험을 통해 하중-변위 곡선을 구해서 재료의 물성을 계산 해 낼 수 있다. 탄성뿐만 아니라, 잘 조절된 시험을 통하여 시편의 두께를 정확히 구할 수 있다. 하지만, 자유지지보를 만드는 과정에서 생길 수 있는 undercutting은 보의 길이를 정 확히 나타낼 수 없고, 굽힘시험 중에 불균일한 변형을 보에 유발하여 시편 길이에 따른 굽힘 모멘트가 일정하지 않는 문제가 생긴다. 불균 일한 변형을 없애기 위하여 폭이 삼각형 모양 을 가진 빔을 만들어 실험을 한다. 또 다른 굽 힘시험 방법은 wafer curvature 방식이다. 모 재에 부착된 박막이 높은 온도에서 증착된 후 에 상온으로 떨어지는 과정에서 생기는 모재 와 박막의 열팽창 계수의 차이가 시편에 구배 를 생성한다. 열팽창 계수의 차이에 의해 박막 의 잔류 응력이 인장 또는 압축으로 나타내진 다. 이 잔류 응력은 모재의 구배에 비례하며 박막의 탄성과 소성 특성들이 시편의 온도를 다양하게 함으로 얻어진다. 하지만 모재와 박 막사이의 접착력 등의 불균일성에 의해 정밀 한 측정이 제한을 받을 수 있다. 다른 굽힘시 험은 벌지시험이다. 자유지지 박막이 가스나 액체에 의해 변형되며, 이러한 변형을 측정함 으로 박막의 응력과 변형간의 관계를 구한다.
모재에 붙어 있는 자유지지 박막의 형상은 원 형 또는 정사각형이며, 변형은 interferometry 나 용량형 게이지 등의 방법으로 측정한다. 변 형된 자유지지 박막의 높이를 측정하여 재료
의 탄성과 소성거동을 구한다.
2.3. 인장시험
인장시험은 재료의 기계적 성질을 바로 얻 어 낼 수 있는 방식이다. 하중과 변형률을 독 립적으로 계산식에 의지하지 않고 바로 얻어 낼 수 있다. 하지만 인장시험은 재료의 크기가 작아짐에 따라 하중 분해능, 시편제작, 시편 다루는 과정(handling)과 시편 고정(gripping) 등에 문제가 생겨 정확한 실험을 하기가 힘들 다. 이러한 문제들에도 불구하고 데이터처리의 간편함과 시편형상에서 생기는 오차요인이 거 의 없어 여러 연구자들을 중심으로 많은 연구 가 행해지고 있다.
Sharpe 등은 마이크로 가공원 프레임에 dog bone 모양의 시편을 만들어 인장시험을 했다.
Piezoelectric actuator가 uniaxial tension을 시
편에 주기 위하여 사용됐고, 0.01 g의 로드 셀
이 사용됐다. Tsuchiya 등은 시편에 하중을
가하는 electrostatic force gripping system을
개발하였다. 시편은 한쪽 끝이 고정된 free-
standing thin film cantilever로서 다른 끝은
큰 패드로 구성되어 있다. 큰 패드로 구성된
시편 끝에 electrostatic force를 가해 시편을
고정시킨 후에 piezoelectric actuator를 사용하
여 인장시험을 했다. Strain gauge를 사용하여
시편의 변위를 측정하였다. 또 다른 인장시험
에서는 gripping pad를 사용하지 않고 캔틸레
버 시편 한쪽 끝에 링을 구성하였다. 이 링에
탐침을 끼어 넣어서 시편 축을 따라서 인장시
험을 행하였다. 하지만 이 방식은 탐침과 모재
와의 마찰 문제가 있어 실험 결과 해석에 영
향을 미친다. Espinosa 등에 의해 membrane
deflection experiment (MDE) 방식이 개발되
었다. 스트립 모양의 free standing 멤브레인이
micromachined window의 양쪽 끝에 붙어 있
는 시편을 만들어, 이 membrane의 중심에 나
노인덴터를 사용하여 load를 가함으로서 de-
flection (시편 변형)을 준다. 이때 변위는 멤
브레인 밑에 있는 interferometer를 사용하여
구한다. 시편제작의 간편함과 취급의 용이함 때문에 여러 치수를 가지는 다양한 시편들이 제작되어 사용되고 있다.
2.4. MEMS (Microelectromechanical Systems)에 기반을 둔 실험 방법
마이크로와 나노 사이즈의 시편의 기계적 성질 측정에는 MEMS 기술이 많은 도움이 된다. 예를 들면, Comb-drive actuator와 strain sensor 등을 웨이퍼 상에 제작되어 높은 힘의 분해능과 변형측정에 사용되고, 표준화된 MEMS 기술을 이용하여, 같은 형상과 치수를 갖는 많 은 시편들의 제작이 용이하다. Saif 등에 의해 개발된 MEMS 시험 방식은 in situ SEM 또 는 TEM을 사용하여 서브 마이크로미터 시편 의 기계적 성질 측정에 사용됐다. 시편의 한쪽 끝은 bulk piezoelectric actuator에 붙어 있고, 다른 쪽 끝은 고정되어 있다. 접혀진 지지빔들 이 시편에 하중이 균일하게 분포되게 도움을 주고, 시편에 붙어 있는 다른 보는 하중센서로 작용한다. 이 설계의 가장 큰 장점은 지지빔 등을 사용하여 nonuniaxial load를 직접적인 tensile load로 전달한다. 이 방식을 사용하여 직 접적인 하중전달에 어려움을 주는 시편의 정렬 (alignment) 문제를 해결했다. 다른 MEMS 기 반을 둔 시험방법은 comb-drive actuator이다.
이 소자는 전압 변조기를 통해서 시편에 변형 을 야기한다. Comb-drive actuator를 통해서 정전기적으로 구동되면, 구조물의 변형은 용량 형 게이지 방식을 사용하여 기록된다. MEMS 에 기반을 둔 시험 방법 등은 나노 사이즈의 소자 개발에 큰 영향을 미칠 수 있다. 이 시험 방법이 유한요소해석과 결부 되면, 나노사이즈 의 구조 거동을 좀더 정확히 묘사할 수 있을 것으로 기대된다.
2.5. Nanoscale 나노튜브와 나노와이어 측정 방법들 나노와이어나 CNT (carbon nano tube) 등 의 기계적 거동 측정은 시편들의 크기가 매우 작은 관계로 매우 힘들다. 초창기 연구에는 이
러한 나노사이즈의 시편들의 기계적 성질은 주로 계산식에 의존해서 구하였다. 나노와이어 나 CNT의 주요한 문제들을 기술하면, 시편을 다루고 조작하는 장치들이 필요하고, nano- Newton 범위에서 하중과 국부적인 기계적 변 형을 정확하게 측정하는 방법의 개발이 요구 된다. 기계적 성질을 측정하기 전에 나노튜브 를 다루는 방법으로는 분산이 있다. 액체에 초 음파를 사용하여 나노튜브를 dispension시킨 후 모재 위에 떨어뜨려 퍼트린다. 금속 박막이 이 모재위에 증착된 후 photolitho-graphy 방 법을 사용하여 형상을 만들어 사용한다. SPM (scanning probe microscope)이 가장 탄트나노 튜브(CNT)를 조작하는데 많이 사용된다.
Visual interface와 원격 조정장치로 구성된 nano manipulator AFM system을 사용하여, 탄트나노 튜브(CNT)의 조정이 가능해 졌다.
최근에는 nanomanipulator와 SEM 등의 전자
현미경을 결합하여 동작의 직접적인 관찰이
용이해졌다. Manipulator를 사용한 나노튜브의
manipulation과 positioning 등의 순서는 다음
과 같다. 1. 나노튜브의 소스를 전자 현미경의
manipulator에 가까이 위치시킨다. 2. manipu-
lator의 프로브를 전자현미경을 통한 시각적
관찰을 통해 나노 튜브에 접근시키면, 나노 튜
브는 van der Waals force 또는 electrostatic
force등에 의해서 manipulator의 프로브에 붙
는다. 3. 나노튜브와 프로브를 전자 빔을 사용
하여 붙인다. 나노튜브의 다른쪽 끝도 전자 빔
을 사용하여 원하는 위치에 고정시킨다. SEM,
TEM과 SPM 장비들은 나노튜브들을 분석하
기 위하여 많이 사용된다. 이 장비들은 나노미
터 분해능을 가지고 나노튜브의 변형을 측정
하는데, Field emission gun SEM은 약 1 nm
의 분해능을 가지고, TEM은 0.1~0.2 nm의
분해능을 가진다. 하지만, SEM의 분해능은
시편 표면과 전자 빔의 상호 관계에 의해 제
한되고, TEM은 microscope의 광학 조건에 따
라 전자 beam이 퍼짐에 따라 분해능이 제한
이 되고 있다. AFM은 나노튜브의 분석에 있
Table 1. 문헌 정보 분석 대상 DB
DB 명 내 용
SCI-Expanded
저널 수 : 5,900 여개
※ SCI CD롬 버전보다 저널 2,100종 많음 과학분야 : 150개 과학분야 포괄 포괄년도 : 1900년 이후부터 현재까지
자료 갱신 : 매주 평균 19,000건 추가, 인용참고문헌은 423,000건 추가 비고 : 1991.1 이후는 영문 문헌의 abstract 검색 가능
Table 2. 문헌정보분석 주요 검색어
제한분야 주요검색어
박막 및 구조체 thin film*, membrane*, film*, wire*, nano-structured material*
나 노 micro*, nano*, MEMS, NEMS
물성측정기술
indent*, tensile*, strip bend*, bend*, on-chip-test*, AFM/SPM, fatigue*, stress*, visco-elastic*, adhesi*, optical*, ISDG, strain*, displacement*, ESPI, elctronic speckle pattern interferometer*, DIC, digital image correlation*, In-line monitor*, In-situ measure*
어서 매우 유용한 도구이다. 이 장비는 시편의 표면 형상만 측정하는 것이 아니라, 나노미터 의 분해능을 가지고 나노튜브를 조작하는데 사용된다. 기계적 성질 측정에 필요한 일반적 인 상용화된 하중센서는 nano Newton 분해능 을 가지고 있지 않다. 따라서 AFM의 캔틸레 버가 하중센서로서 많이 사용되고 있다. 나노 튜브나 나노와이어의 측정방법으로는 reso- nance, bending, radial, tensile과 torsion load- ing 등의 방법이 있다.
3. 정보분석
본 장에서는 나노 박막 및 구조체의 기계적 물성 측정기술에 관한 기술문헌을 통하여 정보 적 측면에서의 기술개발추이 및 국가별 기술수 준을 다각적으로 살펴보았다. 활용한 기술문헌 DB는 세계적으로 가장 지명도가 높은 SCI 저 널을 DB로 한 Thomson사의 SCIE DB를 활용 하였다. 구체적인 분석결과는 다음과 같다.
3.1. 정보분석 대상 DB와 검색조건
문헌정보분석은 특정기술영역별로 등장하는 키워드(keyword)를 이용하여 문헌자료를 분 석하는 것으로 정성적인 연구개발동향분석과 함께 기술개발동향을 가늠해 보는 주요한 정 보를 제공해 준다. 키워드를 통한 문헌검색과 검색결과에 대한 통계분석방식이기 때문에 연 구개발에 관한 객관적인 현황 정보를 제공해 주고 있다. 연도별 논문발표건수의 변화, 국가 별 논문발표수, 주요연구기관별, 저자별 발표 현황에 대한 정보와 같은 정량적인 문헌정보 분석결과는 대학, 기업, 연구소 등의 기술개발 연구진에게 기술동향분석에 대한 입체적인 정 보를 제공해 주는 주요한 참고 자료로도 활용 될 수가 있다.
본 연구는 과학기술분야의 대표적인 데이터 베이스인 ISI의 Web of Science SCI-Ex- panded (Science Citation Index Expanded) DB를 대상으로 하여 문헌분석을 수행하였다.
SCI-Expanded는 전세계 150개 과학분야의 5,900
개의 저널의 논문, 학회발표자료, 리뷰 등을
Table 3. 검색식 및 검색결과
검 색 식 검색결과
#1 TI=membrane* and TI=(Micro* or Nano* or Mems or Nemes) 8,209
#2 TI=film* and TI=(Micro* or Nano* or Mems or Nemes) 22,077
#3 TI=wire* and TI=(Micro* or Nano* or Mems or Nemes) 1,429
#4 TI=(Nano structured material*) 48
#5 TI=Nano and TI=structure* and TI=material* 76
#6 TI=Nanostructure* and TI=material* 807
#7 #6 OR #5 OR #4 883
#8 #7 and TI=(Micro* or Nano* or Mems or Nemes) 883
#9 #8 OR #3 OR #2 OR #1 32,388
#10 TI=(indent* or tensile* or bend* or fatigue* or stress* or adhesi* or optical* or strain* or displacement*) and #9
1,959
#11 TI=(visco and elastic*) or TI=(electronic and speckle and pattern and interferometer*) or TI=(digital and image and correlation*)
403
#12 TI=(in-line and monitor*) or TI=(in-situ and measure*) 3,851
#13 TI=(on-chip and test*) 296
#14 #13 OR #12 OR #11 4,546
#15 #14 AND #9 41
#16 #15 OR #10 1,992
색인한 것으로 주요 과학기술동향을 분석하는 DB로 활용되고 있다.
“나노 박막 및 구조체 물성측정기술”에 대 한 검색을 위하여 Table 2에 나타난 바와 같 이 주제어별 검색어를 추출하였다. 박막 및 구 조체는 membrane, film, wire 등을 검색어로 하였으며, 나노 또는 미세분야로의 제한을 위 해서는 micro, nano, MEMS, NEMS를 사용하 였다. 물성측정기술에 대한 검색어로는 압입, 인장, 점착, 굽힘 등을 나타내는 indent, ten- sile, bend 등을 사용하였다. 구체적인 검색어 는 Table 2에 나타내었다.
이들 검색어를 Table 3에 나타낸 바와 같은 검색순으로 검색하였으며, 그 결과 1,992편의 SCI 논문이 “나노스케일 박막 및 구조체 물성 측정기술”과 관련된 논문인 것으로 조사되었 다. 검색순서에 있어 앞서 Table 2의 3개 제 한분야를 각각 검색한 후 이들 3개 제한분야 를 다시 “and”로 공통 조합하여 검색하는 것
이 가장 명확하지만 SCIE 검색에 있어 단일
검색식의 검색결과가 10만건을 넘지 못하게
제한되어 있기 때문에 일부 검색식은 10만건
이 넘지 않도록 하기 위하여 몇 개의 검색어
를 먼저 검색한 후 조합하는 방식으로 검색을
하였다. 나노멤브레인 관련논문은 8,209편, 나
노박막 관련논문은 22,077편, 나노와이어 관련
논문은 1,429편, 그 외 나노구조체 관련 논문
은 883편으로 검색되어 전체 나노구조체 관련
논문은 32,388편으로 조사되었다. 이들 조사결
과를 물성측정 기술분야와 조합한 결과 1,992
편으로 최종 조사되었으며, 이들을 대상으로 정
량적 분석을 수행하였다. 문헌 정보분석은 문헌
및 특허 분석 전문 소프트웨어인 Vantage
Point (version 4.0)을 이용하였으며, Web of
Science에서 제공하는 기본적인 문헌 통계정
보를 참조하였다.
3.2. 통계분석
3.2.1. 연도별 추이 분석
문헌정보분석의 기본이 되는 연도별 논문건 수 추이를 먼저 살펴보면, Figure 1의 이동평 균선에 나타난 바와 같이 90년대에 들어서면 서부터 현재까지 지속적으로 증가하는 양상을 나타내고 있음을 알수 있다. 2006년도 이후 다 소 감소하는 양상을 보이는 것은 논문이 발표 된 후 DB로 등록되는 시간적 갭(Gap)의 발생 때문이며, 따라서 2006년 논문은 2007년도 등 록분이 부분적으로 남아 있다고 할 수 있다.
특이할 사항은 전체기간동안에 3개의 구간 추세선이 있으며, 1995과 2000년을 기점으로 증가추세경향이 변화하여 변곡점이 발생하였 음을 알 수 있다. 즉 이 시점에 기술적, 환경 적 영향이 발생하였다고 할 수 있다. 1994년에 는 반도체 산업을 필두로 박막 등 미세 구조 물에 대한 산업화 응용 및 연구가 급속히 전 개된 시점이며, CVD, PVD, PECVD, E- Beam 등 미세구조물 제조공정에 대한 연구도 함께 급속히 성장하던 시기이다. 이러한 미세 구조물에 대한 연구는 2000년 미국을 선두로 한 나노기술의 대두로 또 다시 급속한 성장의 계기가 마련되었다고 할 수 있다.
3.2.2. 국가별 분석
국가별 분석에 앞서 국가명에 대한 노이즈 를 제거하는 작업을 진행하였으며, 모든 논문 저자의 소속 국가를 분석하였기에, 전체 국가 수의 합계는 논문수 총계보다는 많게 나타난 다. 61개국이 “나노스케일 박막 및 구조체 물 성측정기술” 관련 논문을 발표하였으며, 국가 별 비율을 보면, 미국이 전체 1,992편 중 393 편을 발표하여, 가장 많은 연구논문을 발표한 것을 조사되었다. 다음으로 일본이 270편, 13%, 중국이 233편, 11%, 독일이 150편 7%, 프랑스 140편, 7%로 나타났으며 우리나라는 111편, 5%로 6위를 차지한 것으로 조사되었 다. 이외에 상위국으로 영국, 인도, 이탈리아,
Figure 1. 연도별 추이 분석.
Figure 2. 국가별 쉐어맵 분석.
러시아 등이 있다. 이와 같이 상위 10개국이 전체 발표논문의 75%를 점유하고 있어 실질 적인 연구개발 성과물의 대부분이 상위 10개 국을 중심으로 이루어지고 있음을 알 수 있다.
최근 10년간 국가별 점유율 추이변화를 보 면, 전체적으로 가장 많은 논문을 발표한 미국 은 1998년 26.6%의 가장 큰 점유율을 가지고 있었으나 이후 계속 감소하여 2006년에는 18.2%로 크게 감소하였다. 프랑스도 1998년 8.9%에서 2006년 5.1로 감소폭이 미국과 같이 크지는 않지만 지속적으로 점유율이 감소하고 있는 추세이다. 반면 한국과 중국은 1998년 3.2%와 7.3%에서 2006년에는 각각 7.1%와 11.1%로 상대적으로 큰 폭으로 증가하였으며, 그밖에 대만, 인도 등 아시아지역 국가들이 최 근 급속하게 증가하고 있는 추세이다.
연도별 국가현황을 보면, 일본이 80년대 후
반으로 가장 먼저 관련연구를 시작하였으며
Figure 3. 국가별 논문 점유율 비교.
이후 중국, 독일, 프랑스 등이 관심을 갖기 시 작하였다. 이후 미국이 90년대 후반에 들어 본 격적인 연구를 시작함에 따라 나노박막 및 구 조체의 물성측정에 대한 연구가 세계적으로 급속히 확산되었으며, 우리나라도 90년대 후반 부터 본격화되어 최근까지 지속적으로 증가하 고 있는 추세이다. 이러한 증가세는 최근 나노 기술의 급속한 발전과 연구개발 확대와 맞물 려 상업화 적용을 위한 물성측정기술의 중요 성은 더욱 부각될 것으로 사료된다.
3.2.3. 주요 기관 분석
주요 기관별 분석은 원문에 수록된 문헌 저 자의 소속기관명에 대한 통계분석이다. Figure 5와 같이 가장 많은 SCI 논문을 발표한 기관 으로는 중국 전지역에 84개 연구소를 보유한 중국과학원(CAS, Chinese Acad Sci)이 90편 으로 제일 많은 논문을 발표한 것으로 집계되 었다. CAS의 경우는 하부 연구소 별로 독자 적인 연구가 진행되고 있기 때문에, 단일 기관 으로 보기는 어렵지만 분석의 편의상 동일 기 관으로 간주하였다. 다음으로는 러시아 과학원 인 Russian Acad Sci가 34편의 논문을 발표하 였으며, 일본 토호쿠 대학이 27편으로 3위, 프 랑스 국립과학연구소인 CNRS가 26편으로 4 위, 미국 U.C. Ber-keley가 25편으로 5위를 차 지하였다. 10위권내에 중국이 3개, 러시아 2개, 일본 2개, 프랑스와 미국, 한국이 각각 1개 기
Figure 4. 국가별 추이.
Figure 5. 주요 연구기관 추이.
관이 포함되어 있다. 우리나라는 연세대가 유 일하게 9위를 차지하였으며, 서울대는 14편으 로 26위를 차지하였다. 중국 CAS, 러시아 RAS, 프랑스 CNRS의 상위기관은 여러지역에 여러 개의 연구소와 센터를 보유한 종합연구 기관 성격을 지니고 있어 연구기관의 규모와 논문발표실적이 밀접한 연관성을 지니고 있음 을 알 수 있다.
3.2.4. 연구자 분석
전체 1,992편의 “나노스케일 박막 및 구조체
물성측정기술” 관련 SCI 논문에 대하여 저자
분석을 수행한 결과 6,361명의 연구자가 관련
연구를 수행하고 있었다. 중국 과학원 고체물
리연구소의 L. D. Zang박사가 20편의 관련논
문을 발표하여 1위로 조사되었으며, 주로 Ga 과 Si 계열의 광학특성분석에 관한 연구를 수 행하였다. 2위는 북경대학의 L. Y. Chen박사 로 13편을 발표하였으며, Co계열 재료의 자기 광학 특성분석에 대한 연구가 주를 이룬다. 다 음으로는 미국 캘리포니아 산타바바라 대학의 S. K. Buratto 교수로 12편을 발표하였으며, 근접장광학계(Near-Field Scanning Optical Microscope: NSOM)를 이용한 박막분석분야 에 다양한 연구결과를 발표하였다. 이외에 Au 계열 나노입자의 광특성분석에 대한 연구를 하고 있는 중국과학원의 J. L. Shi 박사와 Y.
Yang 박사가 각각 12편과 11편을 발표하여 상위에 속해 있다. 이와 같이 상위 10위권내에 7명의 중국연구자가 포함되어 최근 “나노스케 일 박막 및 구조체 물성측정기술”분야에 대한 중국의 관심을 엿볼수 있다. 그러나 광범위한 연구인력을 확보한 반면 앞서 언급한 바와 같 이 저널지명도 측면에서 미국, 프랑스 등 서구 선진국과 달리 낮은 impact factor 저널에 편 중되어 기술의 우월성 및 선진성을 평가하기 는 어렵다고 할 수 있다.
3.3. 네트워크 분석
3.3.1. 공동 연구자 네트워크
앞서 저자분석에 조사된 6,361명의 “나노스 케일 박막 및 구조체 물성측정기술” 관련 논 문 발표 연구자들을 대상으로 동일한 문헌의 공동저자 분석을 실시하였다. 상위 50인의 주 요저자들의 네트워크 분석결과 중국 CAS의 Liu. Y.박사를 중심으로 한 연구그룹이 가장 견고한 연구네트워크를 형성하고 있는 것을 알 수 있다. 공동저자로 활동한 사람으로는 총 46명이었으며 이 중 3편의 이상의 공동연구논 문을 발표한 연구자는 Shi JL (5편), Yang Y (4편), Dal SG (3편), Chen HR (3편) 등이 다. 그러나 Figure 6에 나타난 바와 같이 Liy Y 그룹을 제외한 대부분의 연구자그룹들이 그룹내 연구자들을 중심으로 내부연계구조를
Figure 6. 공동 연구자 네트워크.
지니고 있어 연구그룹간 네트워킹을 매우 취 약한 것으로 나타났다. 일본은 Jimbo T, Soga T, Adhiokari S, Adhikary S 연구그룹이 공동 논문을 다수 발표한 것으로 조사되었으며, 이 외에 영국에서는 Krishna MG, Bhattacharya AK, Hartridge A 연구그룹이 활발한 것으로 분석되었다.
3.3.2. 공동 연구기관 네트워크
“나노스케일 박막 및 구조체 물성측정기술”
분야에 대한 연구기관들의 네트워크는 연구자
네트워크 보다 좀 더 활발한 연계구조를 확인
할 있었다. 상위 30개 연구기관의 상호 연계구
조를 분석한 결과, 크게 4개의 연구기관 네트
워크가 확인되었다. 먼저 상단 중간의 중국
CAS를 중심으로 한 중국그룹과, 중간 좌측의
한국(서울대, 연세대), 일본(토호쿠대, 동경대),
미국(Univ Calf. Santa Babara)의 3개국 대학
Figure 7. 공동 연구기관 네트워크.
을 중심으로 한 한미일 대학연합그룹과, 중간 우측의 프랑스 CNRS를 중심으로 한 유럽그 룹, 끝으로 하단 좌측의 미국 Penn State Univ와 Univ Illinois를 중심으로 한 미국그룹 이다. 앞서 언급한 바와 같이 4개의 연구기관 네트워크를 확인 할 수 있었으나 이들간 연계 강도는 0.25 이하로 낮게 형성되어 있어 향후 기관간 좀 더 활발한 공동연구협력체제가 필 요하다고 할 수 있다.
4. 선진국 기술수준 비교분석
나노 공정을 통하여 나노 스케일의 구조물 을 형성하는 기술은 1996년에 Chou 교수가 Thermal NIL을 제안한 이후로 다양한 형태를 가지고 발전되어 왔다. 나노 공정을 통하여 제 작된 나노 구조물은 같은 재료의 거대 구조물
과는 다른 기계적, 광학적, 전자기적 특성들을 가진다. 나노 공정을 개발하거나, 나노 구조물 을 이용하여 소자를 만드는 경우에는, 나노 구 조물의 여러 가지 특성들에 대한 측정 기술이 필요한 상황이다. 이러한 측정 기술들이 다루 어야 하는 영역하는 기계, 물리, 화학, 재료 등 에 걸친 넓은 범위이며, 기본적으로 다음과 같 은 특성에 대한 정보를 제공하고, 이를 기반으 로 다음과 같은 나노 구조물의 거동을 예측할 수 있는 기술을 제공하는 것이 필요하다.
◦ 기계적 특성: 구조적인 안정성과 관련된 탄 성계수, 경도, 폴리머 소재의 creep, 점탄성, 반복하중에 따른 안정성 및 신뢰성, 잔류응 력, 접착/점착 특성, 점성, 마모/마찰/윤활 특성 등
◦ 형상 정보: 잔류 두께, 표면 거칠기, CD (Critical Dimension) 등
◦ 광학적, 전자기적 특성 측정 기술들은 구조 물의 크기가 작아져도 많은 경우에 그대로 적용할 수 있는 기술들이 많은 반면에, 기 계적 특성에 관련된 측정 기술들은 구조물 의 크기에 매우 의존하는 경우가 많다. 따 라서 SPM이나 나노인덴터와 같이 고분해 능 하중 측정 장치를 이용한 기계적 특성 측정 연구가 집중적으로 진행되고 있다.
박막의 기계적 물성 측정 기술에서 한국기 계연구원에서는 두께 100 nm인 금 박막의 물 성측정기술 개발을 완료했고, 나노스케일 인장 시험에서 사용되는 ISDG 변형률 측정장치를 개발하였다. 그리고 신뢰성 있는 기계적 물성 측정 기술 개발을 위해서 Nanoindentation, Micro Tensile 시험 및 Strip Bending 시험 기 법을 개발하여, 이들 결과를 상호 비교, 평가 하면서 연구를 진행하고 있는 특징을 가지고 있 다. 특히 최근에는 자체 개발한 Strip Bending 시험법의 국제표준화(안)을 IEC에 제안하고 있다.
나노 점착 및 마찰 특성에 관한 연구는 국
내에서는 KIST, KAIST 및 연세대에서 연구
가 시도되었으며, KIST의 특성 평가 기술은
Table 4. 선진국과의 기술 수준 비교.
세부기술사항 국 내 국 외
나노박막 기계적 물성 측정
- 100 nm Au 박막 제작 및 측정(KIMM) - 500 nm 급 폴리머 박막 측정 시편 제작
및 압입 시험(KIMM, KRISS)
- ISDG 기반 미소 변형 측정(KIMM, KIT) - 압입시험을 통한 국소부위 박막 두께 측
정 기술(KIMM)
- AFM 기반 기계적 물성 측정(KIMM, KIST)
- DIC 이용 변형 측정(KIMM, KAIST)
- 100 nm Au 박막 인장 시편 제작 및 측 정(Northwestern Univ.)
- 30 nm 두께 Al 박막 제작 및 측정 (UIUC)
- 150 nm 실리콘 와이어 제작 및 측정 (Ritsumeikan Univ.)
- AFM 기반 CNT 측정(Washington Univ.)
- ISDG 기반 미소 변형 측정 기술 (Johns Hopkins Univ.)
모아레를 이용한 나노 구조물의 변형 거동 측정 기법 개발
- 광측정 기법을 이용하여 미소 구조물 변 형 측정에 다양하게 응용되고 있음 (KAIST, 조선대)
- 미소구조물 특히 잔자부품의 신뢰성평가 를 위한 변형측정에 응용(Maryland 대)
나노 점착 및 마찰 측정/평가 기술
- 기존의 SPM을 활용한 표면형상 측정 (KIMM, KBSI 등 다수 기관)
- 기존의 SPM과 대칭형 탐침을 활용한 나 노 점착 특성 측정(KIMM)
- 기존의 SPM을 활용한 나노 마찰 특성 측정(KIST)
- 기존의 SPM을 이용한 나노윤활박막 연 구(KIST)
- 마이크로/나노 점착 및 마찰 시험장치 개 발(KAIST, KIST)
- 기존의 SPM을 활용한 표면형상 측정 - 기존의 SPM을 활용한 나노점착특성
측정
- 기존의 SPM을 활용한 나노마찰특성 측정
- 기존의 SPM을 이용한 나노윤활박막 연구
- 마이크로 점착 및 마찰 시험 장치 개발
In-line 공정 측정/평가 기술
- 일부 연구가 수행되고 있으나 상용화 단 계에 있는 기술은 소수임(KIMM, SNU Precision, K-MAC)
- Scanning nanocalorimetry에 의한 박막 적층의 실시간 열용량 측정(2002, UIUC) - Photolithography 공정 모니터링/제어
시스템(SCT, 미국)
- MEMS optical switch의 웨이퍼 레벨 In-line 측정(Polytec, PI)
On-chip Tester 기술 - 개발 중(KIMM) - 시험기 개발 중(Ritsumeikan Univ)
실시간 측정 기술 - 개발 중(KIMM) - 시험초기 단계
나노 박막 고온 물성
값 측정 기술 - CTE 등 측정(KIMM, KIT) - CTE 측정(Johns Hopkins Univ.)
국내 유일한 기술이며 세계적으로 뒤지지 않 는 있는 기술이나, 아직 까지는 정량화를 위해 계속적인 연구가 되어져야 할 것이다.
참 고 문 헌
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% 저 자 소 개
이 호 신
1991 성균관대학교 금속공학과 학사
1996 성균관대학교 금속공학과 석사
2006 성균관대학교 신소재공학과 박사
1996～현재 한국과학기술정보연구원, 나노정보분석팀, 선임연구원
서 주 환
2000 부산대학교 분자생물학과 학사
2002 부산대학교 분자생물학과 석사
2002∼현재 한국과학기술정보연구원 나노정보분석팀, 연구원
(2002).
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이 일 형
1980 한양대학교 전기공학과 학사 1983 한양대학교 전기공학과 석사 1995 한양대학교 전기공학과 박사 1998～1999 중국청화대학 Post Doc.
1987～현재 한국과학기술정보연구원 나노정보분석팀 책임연구원
이 학 주
