▲ KRISS 연구진이 진공환경에서 이온빔 생성용 팁제작 실험을 하고 있다.

국내 연구진이 이온현미경의 핵심 기술인 이온빔 생성 기술을 개발해 고성능 국산 이온 현미경 개발에 기여할 것으로 기대된다.

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민) 첨단측정장비연구소 박인용 책임연구원 연구팀과 소재융합측정연구소 권지환 선임연구원팀이 이온현미경의 성능을 향상할 수 있는 이온빔 생성 기술을 개발했다고 26일 밝혔다.

이온현미경과 같이 나노미터급의 분해능을 가진 첨단현미경은 소재, 부품, 바이오 등 여러 과학기술에 반드시 필요한 장비이다. 하지만 현미경 산업은 외산 장비의 의존도가 높아 국산 이온현미경의 개발이 시급한 상황이다.

이온빔 생성 기술은 이온현미경 등 하전입자빔을 이용해 영상을 얻거나 성분을 분석하는 장비의 심장에 해당하는 기술이다. 이에 고품질의 이온빔을 생성하고 장비에 적용하는 것이 매우 중요하다.

그간 이온빔을 생성하는 팁 재료로 주로 사용된 텅스텐은 산소에서의 부식이 심각한 문제였다. 기존 연구는 텅스텐 팁 끝에 산소에 부식되지 않는 수 개의 이리듐 (Ir)원자만 남기기 위해 복잡한 화학처리와 가열공정을 거쳐야 했고, 재생 횟수도 매우 제한적이었다.

연구팀은 이온원 탐침 끝의 Ir을 3원자 이내의 날카로운 팁으로 제작해 높은 각전류밀도의 이온빔을 만드는 기술을 개발했다. 기존 방법에 비해 공정과 장비가 단순화돼 제작 성공률은 높이고, 팁의 사용기간을 결정하는 재생성 횟수를 획기적으로 늘렸다.

전기화학적 방법으로 20 nm 의 곡률반경 텅스텐 팁을 만들고 이 팁에 Ir을 증착, 진공 중에서 가열하는 간단한 공정단계로 Ir 팁을 만들었다. 또한 팁이 뭉툭해지게 되면 다시 1000 K(켈빈) 으로 가열해 30회 이상 재생성이 됨을 증명했다.

이번 기술을 활용해 이온빔 가공기를 개발하면 높은 공간분해능으로 패터닝, 증착 등이 가능해 첨단 소자 개발이나 반도체 공정에 필요한 장비개발에 적용 가능하다. 특히 글로벌 기업들과 경쟁할 수 있는 고성능의 이온현미경 개발이 가능할 것으로 전망된다. 이온현미경 자립의 길이 열린 것이다.

박인용 책임연구원은 “이번 연구의 핵심은 Ir 팁 제작 원천기술로, 부식에 강해 가스의 종류에 상관없이 안정적이면서도 높은 각전류밀도의 이온빔을 생성할 수 있다”라며, “이온현미경의 이온원, 산소 환경에서 사용되는 탐침기반 연구 등 다양한 분야의 국산연구장비 개발에 활용 가능할 것이다”라고 밝혔다.

연구팀은 이번 연구성과를 바탕으로 빔을 더욱 안정화시키고, 정밀한 빔특성분석 후속 연구에 더욱 주력할 계획이다.

한편, KRISS 주요사업으로 수행된 이번 연구성과는 현미경 분야의 세계적 학술지인 마이크로스코피 앤드 마이크로어낼리시스(Microscopy and Microanalysis)에 지난 7월 온라인 게재됐다.