두께가 나노미터 단위인 초박막을 만든다- 國武豊喜 北九州市立大學 교수(理化學연구소 프론티어 연구 시스템 그룹 디렉터)는 인공적인 초박막의 생산에 몰두해 왔다. 타겟은 인간의 세포막과 같은 두께인 5나노미터. “유기물을 사용한 재료로서는 극한의 두께”(國武 교수)라는 신세대 재료를 실용화할 수 있게 되면 산업분야에서도 커다란 가능성을 펼칠 수 있다. 자립한 구조체 國武교수는 과학기술진흥기구 전략적 창조사업 선구적 타입 ‘조직화와 기능’영역의 연구총괄도 맡고 있다. 초박막 분야에서는 코팅 등의 미세가공과는 다른 자립한 구조체로 한 변이 5~10미터인 큰 구조물도 만들 수 있는 소재의 개발을 목표로 하고 있다. 그 소재로 후보가 된 것이 97년부터 연구해 온 세라믹스. “단단하고 무른 성질의 소재라고 알려져 있는 세라믹스이지만 나노레벨의 응용을 추구하는 과정 속에서 얇게 만들면 플라스틱과 비슷한 유연성이 있어 사용하기 좋은 재료라는 것을 알게 되었다”고 한다. 유리를 만들 때 이용하는 ‘졸-겔법’(졸은 유동성이 있다, 겔은 형태를 가졌다라는 의미)이라고 불리는 소재의 제조방법이 있다. 세라믹스를 만들 경우에도 사용되는 방법인데 초박막 세라믹스를 생성하는 방법으로서 國武교수가 고안한 것이 ‘표면 졸겔법’이다. 돔 형상의 초박막 기반 위에 직경 500나노미터의 폴리머 유기물(라텍스)의 구체를 배치하고, 입자형상을 따라 세라믹스를 코팅한다. 이 입자에 저온산소 플라즈마에 의한 소각처리를 하면 산소 플라즈마는 세라믹스 박막의 망 구조를 통과하여 폴리머 유기물을 이산화탄소로 만든다. 그 결과, 바깥측의 세라믹스가 그대로 남아 내부가 공동(空洞)이 된 돔 모양의 초박막이 만들어진다. 이렇게 해서 박막의 구조체가 만들어진다는 것이 “이것을 이용해서 여러 가지 것을 만들 수 있을지도 모른다 하는 힌트가 되었다”고 國武 교수는 회고했다. 다음에 착수한 것이 실제로 손에 쥘 수 있을만한 크기의 초박막의 생성이었다. 제조 프로세스는 우선 기반이 되는 실리콘웨이퍼 위에 바탕이 되는 플라스틱제 폴리머를 바른다. 그 위에 초박막층이 될 폴리비닐알콜(PVA)의 수용액과 산화티탄을 각각 도포한다. 이렇게 해서 만들어진 기반을 샬레 속 유기용매(에탄올)에 담그면 몇 분 만에 기반에서 PVA와 산화티탄의 초박막층이 분리된다. 이 ‘스핀코트법’이라고 불리는 방법으로 기반의 사이즈(3×4센티미터 정도)와 거의 비슷한 크기의 초박막을 만드는데 성공했다. 자기 지지성 막 지금까지의 실험에서는 조제조건에 따라 200~20나노미터의 자기 지지성 막을 형성할 수 있었는데, 가장 얇은 것으로는 두께 10나노미터의 초박막도 만들 수 있었다고 한다. 國武교수는 “스스로 구조를 가진 막으로 만들 수 있는 것으로는 세계적인 기록이 아닐까”라고 자랑스레 말한다. 앞으로는 타깃인 ‘두께 5나노미터’의 실현과 정밀한 박막설계기술의 개발에 기대를 걸고 있다 이렇게 해서 만들어진 박막은 실제로 어떤 장면에서 이용될까. 우선은 물건을 통과시키거나 통과시키지 않거나 하는 선택성을 가진 박막이다. 특정한 물질만을 통과시키는 침투막 등의 경우 막이 두꺼우면 두꺼울수록 그 막을 통과하기 이한 에너지가 필요하게 된다. 얇은 막을 사용하면 그 에너지가 작아도 되므로 “선택성을 가진 박막의 설계가 제대로 되게 되면 얇으면 얇을수록 좋다”고 할 수 있다. 반대로 아무것도 통과시키지 않는 물질에 대한 전개도 생각할 수 있다. 예를 들면 반도체 절연막이라면 현재는 산화실리콘을 사용한 것이 이용되고 있다. 개중에는 두께 몇 나노미터의 것도 있으나 “미세가공 기술이 발달되면 차대세, 또 그 다음 세대는 실리콘으로 불가능할 것이라고들 한다” 이러한 전자기기 분야를 비롯해 國武교수가 고안한 초박막 재료는 생체물질이나 유기, 무기화합물 등 폭넓은 분야에서 응용할 수 있는 가능성을 갖고 있다. (NK)