한국연구재단(이사장 이광복)은 김보흥 교수(울산대학교) 연구팀이 초정밀 반도체 공정에 응용할 수 있는 초미세 유체(Nanofluidics)의 전기장 하에서의 거동 특성을 규명했다고 밝혔다.

초미세 유체는 분자 수십 개에서 수백 개 정도의 폭을 가진 나노채널 구조에서 흐르는 유체로, 반도체 공정에서 나노스케일의 유동 특성은 공정의 정밀도를 높이는 데 매우 중요한 요소다. 특히, 나노유체의 유동 방식 중 많이 활용되는 미세유동의 경우, 전기이중층(EDL, Electrical Double Layer)의 역할이 핵심적이지만, 그 내부의 유체 흐름은 아직 명확하게 밝혀지지 않았다.

연구팀은 전기이중층 내부의 유동 특성을 분자 수준에서 이해하기 위해 컴퓨터 전산모사를 활용했다. 이를 통해 이온 움직임에 의해 영향을 받는 유체의 특성을 규명했고, 전기삼투 현상에 따른 유동 특성을 분석했다. 전기삼투란, 고체 표면에 대해 액체가 직류 전압에 의해 이동하는 현상으로, 외부 전기장이 적용되면 전기이중층 내 이온이 유동하면서 유체가 함께 이동하는 방식이다.

기존의 연속체 이론은 나노스케일에서의 유동을 정확히 설명하지 못했으나, 이번 연구는 분자동역학 기반 시뮬레이션을 통해 이론과 실험 간의 불일치를 해결했다. 연구팀은 전하 밀도, 전기적 특성, 점도 변화 등 다양한 변수를 고려해 나노스케일 유체의 거동을 더 정밀하게 예측할 수 있었다.

이번 연구 결과는 웨이퍼 세정이나 에칭과 같은 반도체 공정에서 유체의 이동을 더욱 세밀하게 제어할 수 있게 해, 반도체 제조 공정의 정밀도와 효율성을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.

김보흥 교수는 "이번 연구는 실험적 접근이 어려운 영역을 전산모사를 통해 모델링한 사례"라며, "향후 기술 발전을 통해 실험적 접근이 가능해지면 더욱 정밀하고 복잡한 수준의 예측 모델이 구현될 수 있을 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 국가반도체연구실지원핵심기술개발사업의 지원을 받아 수행됐으며, 나노 분야 저명 학술지인 Small 8월 23일자에 후면 속 표지 논문으로 게재됐다.