박막(thin film)이란 절연된 유리, 세라믹 또는 반도체 등의 기판 위에 형성된 매우 얇은 피막을 말한다. 전기전자 통신 기술이 발달하면서 이 박막 사용이 늘고 있다.

좋은 박막을 생산하기 위해 필수적인 것이 박막 측정기술이다. 기계적 신뢰성을 측정하는 것은 물성, 즉 얼마나 강한지를 알아내는 것이다. 박막을 잡아당기는 인장시험, 인장에 하중을 가하면서 재료의 탄성계수와 인장 강도, 신축성 등을 측정하는 방식 등이 사용되고 있다. 

그러나 기존 방식에 한계성이 노출되고 있다. 박막의 두께가 계속 얇아지면서 일부 제품의 경우 테스트가 거의불가능하다는 문제에 직면하고 있다. 

물의 표면장력을 이용하다


이런 가운데 국내 연구진이 소금쟁이에 착안해 나노박막의 기계적 물성을 측정하는 방법을 개발해 주목을 받고 있다. 김택수 카이스트 기계공학과 교수팀과 한국기계연구원 나노역학연구실 현승민 박사팀이 공동으로 물 표면 특성을 이용한 나노박막의 기계적 물성 평가법을 개발했다.

“물의 표면장력을 이용해 보면 어떨까 생각했어요. 마치 소금쟁이가 물 위에 떠 있는 것처럼 박막을 물 위에 띄우면 부드러운 지지가 가능하고, 마찰저항이 작기 때문에 기판에 미치는 영향이 미미합니다. 일반적으로 실험을 진행할 때 마찰력이 주는 방해값이 많은데, 물을 사용하면 그러한 방해값 없이 단순 지지가 가능한 것이죠.”

박막 측정기술이 필요한 이유는 디스플레이의 신뢰성을 얻기 위해서다. 사람이 병을 진단하기 위해 그 사람의 기본적인 나이와 몸무게, 키 등의 정보를 알아내는 것처럼 박막 역시 그것의 기본 물성을 알아야 제대로 된 신뢰성을 얻을 수 있다.

“하지만 기존에는 박막의 두께가 너무 얇아 물성을 제대로 파악할 수 없었어요. 예를 들어 같은 금이라고 해도, 덩어리 상태의 금과 얇은 박막 상태의 금은 물성치가 달라지게 됩니다. 이것을 ‘사이즈 이펙트(size effect)’ 라고 하죠. 

박막이 얇아지면 물성도 바뀌기 때문에 그것을 직접 측정하지 않고는 신뢰도 예측을 쉽게 할 수 없어요. 일례로 금 박막의 경우 얇아질수록 유리처럼 깨지는 성질이 있다는 것을 알아냈습니다. 덩어리 상태의 금은 깨지지 않는다고 알려져 있지만, 두께가 얇아질수록 깨지는 성질이 있음을 발견한 것이죠.

이것은 직접 실험을 해봐야 현상을 정확하게 알 수 있다는 의미입니다. 컴퓨터 시뮬레이션으로도 예측할 수 있겠지만 결국 실험으로 검증이 되는 게 매우 중요해요. 때문에 이번 연구가 의미 있다고 볼 수 있습니다.”

연구팀은 소금쟁이 같은 곤충이 물 표면 위를 자유롭게 떠다니는 것에 착안, 표면 장력이 크고 낮은 점성을 갖는 물의 특성을 이용해 물 표면에 약 55 나노미터 금나노박막을 띄워 놓고 손상 없이 기계적 물성을 정확하게 측정 하는데 성공했다.

“소금쟁이로부터 아이디어를 얻긴 했지만, 이것은 비단 저희 연구실만 생각한 것은 아니에요. 다만 그것을 인장시험에 응용한 것은 처음이라고 할 수 있죠. 우리 연구팀은 다양한 인장시험을 진행 하면서 박막의 인장시험 방법에 대해 계속 고민했습니다. 그 상태에서 소금쟁이에 착안한 방법을 접목해도 좋겠다고 생각한 것이죠.”

결국 아이디어 싸움이었다. 김택수 교수 역시 “중간 중간 요소 기술이 들어있긴 하지만 그것이 매우 어려운 기술은 아니라"고 말했다. "누구든지 쉽게 구축할 수 있어야 전파할 수 있고, 많은 사람들에게 도움을 줄 수 있어여 한다”며 “궁극적으로 우리 연구팀이 목표로 하고 있는 것은 국제표준”이라고 말했다.

박막에 대한 관심, 계속 증가


현재 박막은 점점 얇아지는 추세이기 때문에 그것의 물성을 측정하는 것에 전 세계적인 관심이 집중되고 있다. 꼭 필요하지만 결코 쉬운 과제가 아니기 때문이다.

한 예로 그래핀 인장시험은 큰 화두가 되고 있지만 지금껏 성공한 사례는 나오지 않고 있다. 물론 작은 범위의 그래핀 인장시험에 성공한 사례는 있으나 대면적 단위에서는 아직까지 이의 측정 기술이 나오지 않고 있다.

“지난 몇 년 간 계속 고민했어요. 어떻게 측정할 수 있을까 하고 말이죠. 사실 그래핀을 연구하기 위해 금을 먼저 사용한 것입니다. 금 연구가 보편적으로 많이 이뤄졌기 때문에 접근성이 좋았거든요. 결국 금 연구가 성공했기 때문에 궁극적으로 그래핀을 통해 인장시험을 할 예정입니다. 더 나아가서는 그래핀 뿐 아니라 다른 이차원 물질도 연구를 진행할 거예요. 현재 많은 과학자들에 의해 이차원 물질 개발이 이뤄지고 있거든요.”

김택수 교수는 이번 연구 과정을 회고하면서 “어려움이 많은 시간 이었다”고 이야기했다. “어려움 없이 한 번에 나온 성과가 아니에요. 제1 저자 학생이 석사 과정 가운데 진행한 연구인데 포기하고 싶은 순간이 정말 많았어요. 하지만 학생을 격려하면서 잘 진행한 결과 1~2년 안에 이번 성과를 낼 수 있었습니다. 중간 중간 실패도 많이 했지만 결국 모든 것을 극복할 수 있었죠.”

“기존의 박막 물성 측정 방법에 전 세계적으로 관심이 많아요. 모든 제품이 얇아지고 작아지기 때문이죠. 또 새로운 물질이 계속 나오면 박막의 기계적 신뢰성을 측정하는 것은 더욱 중요해 질 것입니다. 그런 점에서 우리팀의 연구는 새로운 개념을 제시했다고 볼 수 있습니다. 얇은 박막의 기계적 물성을 측정할 수 있는 새로운 개념의 인장실험법을 개발했다는 게 큰 의의겠죠.”

“우리 연구실은 융복합 연구에 상당히 많은 관심이 있습니다. 과학과 기술이 만나는 틈새에서 연구를 진행하고 싶어요. 더불어 자연에서 영감을 얻어 새로운 기계적 물성 측정방법을 개발하는 것에 흥미를 느낍니다. 타 분야에서 영감을 얻고 싶은 것이죠.”

김택수 교수는 “이번 연구의 인장시험 방법은 어떤 관점에서 기존의 것 보다 진일보 했다고 볼 수 있다”며 “고 말했다. 김 교수는 또 "사람들은 어떤 학문을 일컬어 발전할 만큼 발전했다고 하지만 나는 학문과 학문 사이의 융복합에 무궁무진한 길이 있다고 본다"며 앞으로 학문과 학문을 접목하는 연구에 집중하겠다고 밝혔다.