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[IT뉴스]나노 세계 물방울 움직임 실시간 포착…"반도체 제조 기술 수준 높일 것"

온카뱅크관리자

2025-12-02 14:37:32

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> KAIST 
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 물방울 이미지. 게티이미지뱅크 제공
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 KAIST 연구진이 나노 크기의 물방울을 실시간으로 직접 관찰하고 물방울의 모양을 기반으로 접촉각을 계산하는 기술을 개발했다. 반도체 제조 과정에서 물 등 액체가 어떻게 퍼지고 움직이는지 관찰하는 것이 중요하다. 연구성과는 차세대 에너지·전자 소재 개발을 위한 핵심 분석 기술이 될 것으로 보인다. 
 KAIST는 홍승범 신소재공학과 교수 연구팀이 임종우 서울대 교수팀과 공동으로 원자간력 현미경(AFM)을 이용해 나노 크기의 물방울을 실시간으로 직접 관찰하고 물방울의 모양을 기반으로 접촉각을 계산하는 기술을 개발했다고 2일 밝혔다.
 수소 생산 과정에서 물방울이 표면에서 잘 떨어져야 기포가 막히지 않고 수소를 더 빠르게 만들 수 있다. 반도체 제조에서도 물이나 액체가 표면에 얼마나 고르게 퍼지는지, 얼마나 빨리 마르는지가 공정 품질을 좌우한다.
 하지만 물이나 액체가 표면 위에서 어떻게 퍼지고 움직이는지 특성을 뜻하는 '젖음성'을 나노 크기에서 직접 관찰하는 것은 지금까지 기술적으로 거의 불가능해 연구자들은 대부분 추측에 의존해야 했다. 
 최근 젖음성을 분석하는 데 나노 크기에서 정밀하게 측정하는 것이 중요해지고 있다. 수밀리미터 크기의 큰 물방울을 사용하는 기존 방식은 한계가 있다. 표면의 물이 잘 스며드는 친수성, 물이 잘 안 퍼지는 소수성을 잘 알 수 있었지만 나노 단위에서는 물방울 자체가 너무 작아 기존 방법으로는 그 형태를 직접 관찰하기 어려웠다.
 연구팀은 공기 중 수증기가 얼지 않는 온도로 표면을 부드럽게 냉각해 자연스럽게 나노 물방울이 맺히도록 유도했다. AFM의 비접촉 모드로 물방울을 관찰해 물방울의 원래 형태를 그대로 촬영하는 데 성공했다. 나노 물방울은 민감해 탐침이 닿기만 해도 변형되기 때문에 정밀한 제어가 필수적이다.
 연구팀은 이 기술을 강유전 물질 리튬탄탈레이트(LiTaO₃)에 적용했다. 리튬탄탈레이트는 정밀 전자·광학 소자용 결정 소재다. 그 결과 물질의 전기적 방향(분극)에 따라 나노 물방울의 접촉각이 달라지는 차이를 처음으로 확인했다. 큰 물방울에서는 보이지 않던 이 차이는 나노 물방울이 표면의 전기적 상태에 매우 민감하다는 점을 보여준다.
 연구팀은 수소 생산을 돕는 수전해 촉매(NiFeLDH)에도 적용해 단일 나노 물방울을 관찰했다. 관찰 결과는 촉매 표면에서 물이 어떻게 반응하는지 이해하는 데 도움을 준다. 특히 기포가 얼마나 잘 떨어지는지와 같은 촉매 성능 분석에도 활용될 수 있다.
 연구를 통해 나노 물방울의 실제 모습을 눈으로 확인할 수 있게 되면서 물방울이 표면에 얼마나 잘 붙고 떨어지는지를 정밀하게 분석할 수 있게 됐다. 수소 생산 촉매, 연료전지, 배터리, 반도체 공정처럼 액체의 움직임이 성능을 결정하는 여러 첨단 기술에 즉시 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
 홍승범 교수는 “연구는 원자간력 현미경으로 나노 크기의 물방울을 직접 시각화하고 접촉각까지 측정할 수 있음을 보여준 중요한 사례다”며 “그동안 볼 수 없던 나노 세계의 물방울 동작을 실시간으로 관찰할 수 있게 되면서, 차세대 에너지·전자 소재 개발을 위한 핵심 분석 기술로 자리 잡을 것”이라고 말했다.
 정의창 KAIST 신소재공학과 박사과정생이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 미국화학학회(American Chemical Society, ACS)에서 발간하는 신소재·화학공학 분야의 학술지인 ‘ACS 응용소재 및 인터페이스(ACS Applied Materials and Interfaces)’에 10월 17일 자로 출판됐다. 
 &lt;참고자료&gt; -DOI: https://doi.org/10.1021/acsami.5c14404   
 [이채린 기자 rini113@donga.com]
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