물리학과 첨단기술 June 2006 42

저자약력

송종한 박사는 연세대학교 물리학과 박사(1993)로서 미국 Caltech.

Applied Physics & Electrical Engineering, Postdoctoral Fellow(1993-

94), KIST 특성분석센터 선임연구원(1995-2001)을 거쳐 현재 동 연구원

특성분석센터 책임연구원으로 재직 중이다.

이연희 박사는 미국 University of Pittsburgh 화학 박사(1993)로서 미국

Argonne National Lab. Postdoctoral Fellow(1994-95), KIST 특성분석센

터 선임연구원(1995-2001)을 거쳐 현재 동 연구원 특성분석센터 책임연

구원으로 재직 중이다.

안재평 박사는 고려대학교 금속공학과 박사(1996)로서 미국 Lorentz

Berkeley Lab., National Center for Electron Microscopy, Postdoctoral

Fellow(1997-2000), KIST 나노분석센터 선임연구원(2000-2005)을 거쳐

현재 동연구원 특성분석센터 선임연구원으로 재직 중이다.

채근화 박사는 연세대학교 물리학과 박사(1994)로서 미국 Rutgers

University, Department of Physics and Astronomy, Postdoctoral Fellow

(1995-97), 연세대학교 초미세표면과학연구센터 연구교수(1997-2000)를

거쳐 현재 KIST 재료연구부 선임연구원(2000년-현재)으로 재직 중이다.

박경수 박사는 경희대학교 화학과 분석화학 박사(2000)로서 KIST 특성

분석센터 연구원(1994-2002)을 거쳐 현재 동 연구원 특성분석센터 선임

기술원으로 재직 중이다.

나노 표면 분석 기술송종한․안재평․박경수․이연희․채근화

본 원고에서는 나노표면분석을 담당하고 있는 KIST 특성분석센터에 대한 소개 및 전자현미경을 비롯한 KIST 나노 표면분석기술에 대해서 소개하고자 한다.

KIST 특성분석센터 개요

본 센터의 모태는 1966년 한국과학기술연구원(KIST) 설립과 동시에 발족한 화학 분석실 및 재료시험실로서 국내외 연

구 분야의 발전 및 연구시설의 확장, 연구 분야의 대형화, 융합화 그리고, 분석기술 및 연구 활동이 활발하게 확대되면서 국내 최고의 종합 분석 전문센터로서 발전하여 왔다. 90년대 초부터 그동안 화학분석실과 재료시험실로 나누어져 있던 분

석지원을 국내의 연구 환경의 변화 및 연구의 융합화, 그리고, 첨단 표면분석 장비인 RBS, AUGER, XPS, SIMS를 비롯한 고분해능 SEM, TEM 등의 고가 장비들의 도입과 함께 일원화되어 특성분석센터로 통합되었다. 특별히, KIST의 연구 분야가 5대 중점 연구 분야(나노소자/재료분야, Intelligent HCI, 마이크로 시스템, 생리활성 선도물질, 순환형 환경기술)

로 급속히 재편되고 연구 분야가 융합화 함으로서, 중점 연구 분야를 전문적으로 지원하기 위해 필요로 하는 제반 분석 즉, 나노 분석, 생체 바이오 및 환경시료내의 주성분에서부터 극미량 성분까지, 모든 분석을 종합적으로 수행하여 매년 원내 분석 4,000여 건과 원외 분석 3,000여 건을 지원함으로서, KIST를 비롯한 대학 그리고, 기업체의 연구 수행의 초석 역할을 해오고 있다. 2006년에 1 GHz NMR이 국내 최초로 설치되었으며, 6 MV 중형가속기를 09년도 설치를 목표로 하고 있다. 특성분석센터는 60, 70년대에 열악한 분석 장비 여건 속에

서도 포항 유전의 원유 분석, NASA에서 의뢰받은 월석(Lunar rocks)의 성분 분석, 국제원자력기구의 표준시료 공동분석, 문화재 관리국이 지원한 다보탑과 석굴암의 과학적 보존을

위한 분석 연구, 금속 재료의 기계적 성질시험과 금속조직에 대한 구조 시험, 발전소 콘덴서 튜브의 파열 원인조사와 국내 주화의 변색 원인 규명, 국내 팬텀기의 추락 원인 규명, 신라 범종의 재질분석 등과 같은 분석 연구를 수행함으로서, 본 센터의 분석기술에 대한 신뢰도를 국내외에 과시한 바 있다. 본 센터는 KIST의 연구 지원부서로서 지난 30여 년간

KIST의 R&D를 지원해 왔으며, 또한 국내 최고의 분석 지원 센터로서 국내외 산업체의 연구 지원도 수행하여 국내 분석

기술을 선도해 왔다고 할 수 있다. 특히 장기간 축적되어온 분석기술은 KIST 첨단연구의 초석이 되어 왔고, 기업의 애로분석 기술해결에도 결정적인 역할을 해왔다. 또한 최신 분석기법 개발과 표준화에 대한 프로젝트도 수행함으로써 분석기

술 향상을 도모하고 있고, 원내․외로부터의 분석기술 상담과 자문에도 응하고 있으며 분석기술 교육도 실시하고 있다. 표 1은 특성분석센터에서 보유하고 있는 전자현미경을 비

롯한 주요장비 현황이다.

KIST 나노 분석 분야

1. 전자현미경을 이용한 나노 구조 분석 응용

국내 나노 소재 및 소자기술의 개발을 가속화하고 산업화

를 촉진하기 위해서는 나노 구조에 대한 이해, 분석 및 평가가 필수적이다. 특히 연구부문 혹은 산업부문에서 개발된 나

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번호 장비명 모델명 번호 장비명 모델명

1 TEM

FEG/cryoTEM

16 FT-NMR

Inova 900MHzSTEM/ATEM

Unity plus 600MHzJEOL TEMCM30/LaB6

2 SEMFE-SEM Avance 400MHz

nano-SEMUnity plus 300MHze-SEM

3 EPMA JEOL JXA 8600 17 IC Modula series

4 FIB FEI Nova 600 18 GC VISTA 6000STAR 3600CX5 AES PHI 670 19 HPLC 1046A6 TOF-SIMS PHI 7200

20 GC/MS

Purge & Trap GC/MS MAGNUM7 dynamic SIMS IMS 4f-e7

8 XPS(ESCA) PHI 5800 GC-TOF/MS Agilent6890N/LECO

pegasusⅢ8 RBS,PIXE 6SDH2

10 XRDThinfilm-XRD DMAX-2500 21 LC/MS SSQ 7000

HR-XRD ATXG11 XRF RIX 2100 22 Air GC STAR 3400CX

12 EA TC 136 23 Air GC/MS STAR 3400CX SATURN2000 13 AAS SOLAAR M 24 FT-IR 60AR

14 ICP/AES Polyscan-61E 25 TGA/DSC TGA2050/DSC2010Prodigy

15 ICP/MS SCIEX-Elan 5000 26 CHNOS Analyzer EA 1108Elan 6000 DRC plus

표 1. 본 센터에서 확보하고 있는 주요 분석 장비.

노 소재 기술을 산업화하는 데는 연구주체들의 취약한 나노

분석 기술이 큰 애로가 되고 있다. 이러한 취지에서 KIST 특성분석센터의 전자현미경실은 첨단 나노 분석장비를 이용하

여 나노 소재․소자의 나노 구조를 분석하는 연구를 수행하고

있으며 분석연구의 활용 및 확산을 위한 노력을 지속하고 있다.지금까지 많은 연구자들이 나노 구조를 제어하여 형상을

부여하고 원하는 특성을 발현시키기 위해 노력하였지만 이렇

다할만한 연구 성과를 거두고 있는 분야는 많지 않은 것으로

알고 있다. 이것은 나노 소재․소자 기술의 성격상 한 분야만으로는 경쟁력 있는 기술 개발이 불가능하며 여러 분야가 참

여하는 다학제적 연구와 네트워크 협력체가 필요한데 그 원

인이 있다. 따라서 산업체, 대학, 연구소의 연구자들이 자유로이 이용할 수 있는 나노 소재기술 관련 공동시설을 확보할

때 이 분야의 기술경쟁력을 극대화할 수 있다.최근 “KIST 특성분석센터의 전자현미경실”은 산자부의 기

반구축사업을 추진하고 있는 “나노 복합소재 산업화지원센터(박종구 센터장)”와 더불어 나노기술의 근간이 되는 나노 소재의 개발 및 산업화에 필요한 핵심 공통장비를 구축하고 사용자 중심

의 지원시스템 확립을 목표로 지금까지 분석 및 영상관찰용 투

과전자현미경(Transmission Electron Microscopy), 환경주사전자현미경(Environmental Scanning Electron Microscopy), 집속이온빔(Focused Ion Beam), 저각 X-선 회절분석기(Small Angle X-ray diffractometer), 고온 X-선 회절분석기(High temperature X-ray diffractometer), NanoSEM 등의 장비들을 구축하고 있다. 이들 장비는 나노 구조 분석을 목표로 매우 고해상도 사양을 갖추고 있으며, 그 밖에 새로운 개념의 분석기능을 갖춘 부가적인 분석 장비를 장착하고 있다. 본고에서는 이들 분석 장비를 중심으로 최근에 업그레이드된 기

능들에 대해 설명하고자 한다.

(1) Analytical Transmission Electron Microscope투과전자현미경(Transmission Electron Microscope)은 전

자빔을 시료에 조사하여 투과된 전자빔으로 영상을 얻고 회

절된 전자빔을 이용하여 회절 도형을 얻음으로써 재료의 결

정구조(Crystal structure)를 해석하는 전자현미경이다.본 재료분석용 TEM은 초고광도, 낮은 에너지 확장, 아주

작은 프로브 크기 등을 주는 Schottkey 전기장 방출원, 큰 경사(최고 ±40°)면을 갖는 시료에서 높은 해상도를 얻기 위한

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그림 1. High Resolution TEM images and SAD(selected area diffraction)

pattern of carbon nanotube. The (001) planes of graphite (d(001)=3.4

Å) are clearly shown in the HRTEM. 그림 3. Elemental mapping using STEM function from OLED cross section

sample. In the OLED sample, it is difficult to analyze nanostructures

by other methods because it consists of organic compounds.

그림 2. TEM micrograph of multilayer thin film and line profiles using

EDS(energy dispersive spectrometer) and EELS(electron energy loss

spectroscopy) detectors from the red line(marker) on the TEM image.

그림 4. Holography images visualizing magnetic field. From this images,

we can calculate the relative or absolute strength of magnetic field.

S-TWIN 대물렌즈를 갖추고 있어 원자 수준 이상의 정밀도를 갖추고 있다. 공간 분석능은 0.24 nm로 고분해능 전자현미경으로도 사용될 수 있다(그림 1). 또한 정확한 표본 조정과 탁월한 기계적 안정성을 위한 CompuStage를 탑재하고 있어 PC의 마우스와 키보드를 이용하여 모든 기계적인 조작을 하고 있다. 그리고 EDX나 EELS 같은 성분분석장치가 부착되어 있어서 미소부위 또는 다층박막의 성분분석이 더욱 용이

하며 정확해졌다. 다층박막과 유기 EL에 대한 예가 그림 2와 3에 제시되었다. EDS와 EELS를 이용하여 원자 스케일의 크기로 증착된 다층박막의 조성분석을 수행하게 되면 매우 뚜

렷한 line profile을 얻을 수 있다. 또한 유기 EL과 같이 낮은 원소번호로 구성되어 콘트라스트가 없고 원소에 대한 분

해능이 낮은 재료에 대해서도 HAADF를 이용한 영상획득 및 EDS와 EELS를 이용한 성분분석이 가능하다.한편 최근의 TEM에는 현미경의 컬럼에 Lorentz 렌즈와

Holography용 Bipolar 렌즈가 부착되어 있어서 자성재료의 분석이 가능하다. 그림 4와 5는 각각 자성재료가 갖는 전자기장과 자구(magnetic domain)을 TEM에서 관찰한 것이다.

이것은 원론적으로 전자현미경의 빛의 소스인 전자와 자성재

료가 갖고 있는 자기장 사이에 작용하는 Lorentz force를 이용하는 것이다. 이러한 원리를 TEM에서 적극적으로 활용하면 자성재료에 대해 자구의 크기, 자구의 스핀방향, 자구경계면 등에 대한 근본적인 이해를 구할 수 있다.최근의 새로운 재료 개발을 위한 연구는 다층과 그 경계에

서의 화학적, 전기적, 물리적 정보에 대한 지식에 의해 크게 의존하게 된다. 특히 나노 소재․소자 개발이 본격화됨에 따라 나노미터 크기 이하의 구조들에 대해 위와 같은 원자스케

일의 첨단 TEM을 이용한 결정구조 및 성분 분석을 수행할 수 있게 되었다. 따라서 나노 재료․소자에 대해 좀 더 명확하고 새로운 이해를 할 수 있으며 이를 기반으로 새로운 재

료개발에 박차를 가할 수 있게 되었다.

(2) Environmental Scanning Electron Microscope일반적으로, 주사전자현미경(SEM)의 챔버 안에서 관찰될

수 있는 샘플은 고진공으로 인해 여러 가지 제약이 따른다. Environmental Scanning Electron Microscopy(이하 ESEM)는 고진공의 제약을 받지 않는 제 3세대 주사전자현미경이라

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그림 5. Fresnel image of 200 nm wide domain walls in NdFeB. On the a

domain strip, we can see the set of white and black lines. It gives a useful

information, which we can define the spin direction in domain.

그림 6. Observation of WC-Co granules during in-situ heating.

그림 7. SE and cathode luminescence(CL) images of GaN/Al2O3.

From CL image, point defects and voids are observed.

그림 8. (Upper left) the geometry of electron, sample and diffraction

in SEM chamber, (Upper right) electron back-scattered diffraction

(EBSD) patterns from the electropolished Al metal surface, and (lower

left and right) SEM image and the analysis of grain orientations EBSD

patterns, respectively.

할 수 있다. ESEM은 다중 PLA(Pressure Limited Aperture)를 사용하여 챔버 내의 진공상태를 최대 20 torr까지 허용하므로 탈수 없이 수분을 함유한 샘플의 이미지를 얻을 수 있

다. GSED(Gaseous Secondary Electron Detector)는 가스 환경 하에서 선명한 SEM 이미지를 볼 수 있게 제작되었고, 빛과 고온(1500℃)의 제약 없이 전자들을 검출할 수 있다. 그림 6은 heating stage를 이용하여 WC-Co granule 분말시료의 승온에 따른 치밀화 거동을 ESEM 모드에서 관찰한 것으로 진공 또는 반응가스 분위기에서 동적으로 SEM 영상을 얻을 수 있다. 또한 wet, dirty, oil, out-gassing 샘플들의 이미지를 직접 볼 수 있으며, 오염이 장비에 손상을 주거나 이미지의 질을 떨어뜨리지 않는다. ESEM은 비전도성 샘플 위에 누적되는 부하물들을 양이온들이 제거하므로 코팅없이 뚜

렷한 상을 볼 수 있다. 또한 ESEM은 시간 경과에 따른 상태 변이를 샘플의 손상 없이 다이나믹하게 볼 수 있다. ESEM은 이제까지 저진공 SEM에서 BSE 검출기를 통해서만 제한적으로 볼 수 있었던 이미지의 한계점을 극복한, 저진공 하에서 고배율의 선명한 SE 이미지를 볼 수 있는 획기적인 장비라

할 수 있다.그림 7은 사파이어 기지 위에 GaN를 성장시킨 소자의

SEM과 CL 사진이다. 일반적으로 시료의 미세조직을 관찰할 때 SEM을 이용하면 시료표면의 morphology만을 보게 된다. 따라서 GaN 역시 표면에 얼마큼의 성장결함이 잔류하는지를 관찰하는 것이 불가능하다. 그러나 가속된 전자에 의해 여기된 전자가 다시 기저상태로 떨어지면서 방출하는 빛의 특정

파장의 세기를 검출하는 CL 검출기를 사용하면 그림 7의 오른쪽 그림과 같이 시료표면의 형상보다는 재료 자체의 결함

을 직접적으로 관찰하는 것이 가능하다.그림 8은 주사전자빔이 시료에 주입되었을 때 되튕겨져 반사

되는 전자(후방산란전자)를 검출하여 재료의 방위(orientation)를 분석하여 구조분석을 수행하는 예를 보여준 것이다. 결정재료는 결정립(grain)마다 각기 다른 방위를 갖고 있으므로 후방산란전자의 회절형태가 바뀌게 된다. 그림 8에 있는 5개의 원은 서로 다른 5개의 결정립으로부터 측정된 회절패턴으

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그림 9. SEM images of catalyst observed as a function of operating acceleration voltage. The catalyst particles are not separated at the operating

condition of 1.0 kV but are clearly distinguishable at the operating condition of 0.5 kV.

로 각기 다른 방위를 나타내고 있다. SEM과 EBSD를 이용한 구조분석은 바로 이들 방위를 해석함으로서 가능해진다. 아래 그림에서 각 결정립의 색깔은 결정의 방위를 나타낸다.

(3) NanoSEM기존의 주사전자현미경은 분해능 향상을 위해 주로 고진공,

고전압의 조건을 선택하였다. 따라서 촉매와 같은 매우 작은 크기(～20 nm)의 나노재료의 관찰에는 한계를 갖게 된다. 이것은 고전압이 갖고 있는 높은 가속전압으로 인해 나노입자

이외에서 검출되는 신호의 크기가 더 크기 때문이다. 또한 고분자나 세라믹과 같은 부전도성 담체 위에 존재하는 나노 크

기의 금속분말은 코팅에 의하여 관찰이 불가능하게 되며 높

은 가속전압을 사용하면 시편의 부전도성에 의해 관찰이 불

가능해진다. 이러한 문제점은 코팅이 없는 시료를 저전압 하에서 후방산란전자를 관찰하여야 하며 필수적으로 전자검출

기의 성능 향상을 요구한다. 이와 같은 장비의 제약을 개선한 것이 NanoSEM으로서 0.2 - 0.5 kV의 가속전압으로 비전도성 시료를 고분해능 (약 3 nm)으로 관찰이 가능하다. 이것의 적절한 예를 그림 9에 제시하였다. 아울러 분말시료의 결정학적 분석을 위하여 주사투과 전자현미경(STEM: Scanning Transmission Electron Microscopy) 기능이 추가되었다. 따라서 분말시료의 명시/암시야상 관찰 및 고분해능 원소영상 관찰이 가능하다. 전자검출기는 기존의 ET 검출기 이외에도 가스상 이차전자 검출기(GSED: Gaseous Secondary Electron Detector)와 렌즈내부검출기(TLD: Through the Lens Detector)를 가지고 있다. TLD를 사용하여 시료 표면의 약한 검출신호를 집속함으로서 저 전압 관찰조건에서 고분해능의 영상을

얻을 수 있는 것이다. 또한 신호를 혼합 또는 분리할 수 있어 이차전자 영상과 후방산란전자 영상을 동시에 또는 혼합하여

얻을 수 있다. 특히 이 기능을 활용하여 기존의 장비에서는 불가능하였던 나노 자성체의 고분해능 관찰이 가능하다.본 장비의 성능을 요약하면 기존의 나노 영역 관찰용 장비

에서 가지지 못하던 추가적 성능을 모두 갖추고 있으며 시료

의 특성상 기존의 장비로 용이하게 관찰하지 못하였던 다양

한 형태의 나노 재료의 분석요구에 부응할 수 있는 우수한

성능을 보유하고 있다

(4) Focused Ion Beam (FIB)집속 이온빔(Focused Ion Beam, FIB) 시스템은 전자빔

대신 이온빔으로 샘플 표면을 스캔하는 것을 제외하면 주사

전자현미경(SEM)과 거의 유사하다. 현재 사용되는 FIB 시스템의 이온빔은 액상 금속 이온 소스(대개 갈륨)에서 방출되며, 10 nm 이하의 빔 크기를 가진다. 이차전자를 이용한 이미지는 SEM에서 얻을 수 있는 것과 거의 동등한 수준의 표면 정보를 제공할 수 있다. SEM과 구별되는 큰 차이점은 이온 소스를 주사물질로 사용하는 점에서 다르다. 주요 응용사례로는 이차 이온들을 통한 복합 이미징 기술, 실시간 파단 및 이미징을 위한 특정 위치의 직접 식각기술, 마이크로 공정기술, 투과전자현미경(TEM) 시료 제작, 그리고 절연체 혹은 금속의 부분 증착 및 주입기술 등을 들 수 있다. 그림 10은 FIB를 이용하여 시료를 채취하는 과정을 보여

주는 것으로 수십 nm의 크기를 갖는 시료까지도 샘플링할 수 있다. 이 방법으로 제조된 극미세의 시료들은 그림 11과 같이 나노 manipulator를 이용하여 제 2의 장소로 이동시킨 후 또 다른 용도의 시료로 활용될 수 있다.이상의 장비와 함께 2006년 8월에 CryoTEM(FEI Inc.

Tecnai F20)이 아시아 최초로 본 센터에 설치되어 운영될 예정이다. CryoTEM은 액체질소로 냉각된 조건에서 시료를 관찰하기 때문에 생체 및 고분자 등과 같은 재료에서는 매우

유익한 구조분석을 수행할 수 있다. 또한 무기재료에서도 극한의 냉각조건에서 관찰해야 하는 시료의 구조분석에 매우

유익하게 활용될 수 있다.

2. 방사광 분석

나노 과학 기술의 발현과 더불어 나노 결정, 나노 박막, 나

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그림 10. First of all, the sample is polished before mounted in FIB chamber or some interesting regions have to be exposed on the top surface of

sample. The polished sample goes to the FIB chamber and is coated by Pt material to prevent the surface damage by Ga ion(shown in this

figure). Then two big stair-step FIB trenches are cut on both sides of the area of interest until the very thin foil with 1,000 nm in thickness is left.

Finally the small piece of thin foil is cut off for lift-out.

그림 11. The very small piece with 10 μm lifted-out from Fig. 10

moves and welded to the edge of TEM Cu crown grid. The TEM

sample attached at Cu grid is ion-milled at the low voltage of 2 kV

for reducing the surface damage by Ga ion.

노 클러스터 등이 갖는 독특한 물리적 특성들이 나타나면서

나노 과학기술에 대한 관심이 크게 증대하여 그 응용뿐만 아

니라 학문적인 관점에서 이들의 원자구조나 전자구조에 대한

연구의 필요성이 증가하고 있으며, 이들 나노 재료들은 다양한 시료 그대로 표면이나 계면에 변형을 가하지 않고 측정과

분석이 가능한 분석기술들을 요구하고 있다. 또한 이들 나노 소자 및 나노 소재 뿐만 아니라 반도체, 금속 등의 표면 및

계면 원자구조와 전자구조를 정확히 분석해내는 것은 재료의

물성을 이해하는 시작이다. 한편, 방사광 광원의 특징인 고휘도(high brilliance), 고집적도(high collimation), 넓은 영역의 에너지 선택성(photon energy tunability), 편광성(polarization) 등은 초미량 원소나 초미세구조에 대한 다양한 분석을 가능

하게 하며, 특정 원소에 대한 선택적 공명분석과 정확한 미세자성 분석을 가능하게 한다. 따라서 방사광 광원을 이용한 분석기술은 소재에 첨가된 극미량원소, 표면이나 원자 층의 수가 수십 층 이하의 얇은 극초박막, 나노미터 스케일 크기의 나노 구조물 등의 다양한 분석을 통해 나노과학기술의 한계

를 극복할 수 있는 기초원천분석기술을 제공하고 있다.이와 같은 나노 소자 및 소재의 특성 분석을 수행하기 위

하여 KIST에서는 포항방사광가속기에 연 x-선 영역의 흡수분광 빔라인(7B1 KIST)을 설치하여 2004년부터 다양한 나노 박막 및 나노 분말 재료, 비정질 금속재료, 고분자 재료 등에 대한 x-선 흡수분광 및 산란 등의 실험을 수행하고 있다. 7B1 KIST 빔라인은 에너지 영역이 80 ～ 1,500 eV (1,500 ～ 2,000 eV 영역에서도 작동가능)인 연 x-선 빔라인으로 분해능(E/ΔE)이 5,000 (80 ～ 500 eV range) ～ 3,000 (500 ～ 1,500 eV range)이다. 주로 NEXAFS(Near-edge x-ray absorption fine structure)와 Soft X-ray reflectivity 측정을 수행하고 있다.

산소원자의 K-edge NEXAFS 측정에 의한 다양한 광촉매 나노 분말의 전자구조와 물성 특성의 상호 연관성을 규명하

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고 있으며, 특히 진공 내에서 UV(Ultraviolet) 직접조사에 의한 촉매의 광 활성화 상태의 전자구조를 측정하여 광촉매 메

커니즘을 규명하는 측정들을 수행하고 있다. 또한 탄소원자의 K-edge NEXAFS 측정으로 DLC(Diamond-like Carbon) 박막이나 고분자 박막 재료의 탄소원자의 결합상태를 규명하는

측정들을 수행하고 있다. 그 외에도 광 반도체 소자나 DMS (Dilute magnetic semiconductor), CMR(colossal magnetic resistance) 재료에 첨가되는 전이금속들과 희토류 금속들에 대한 화학적 결합상태 등을 규명하는 NEXAFS 측정 등 다양한 측정을 수행하고 있으며, reflectivity 측정을 통해 박막의 계면구조 특성 분석을 수행하고 있다.

또한 2008년부터 운영을 목표로 경 x-선 영역의 제2 KIST 빔라인(10B1 KIST-PAL XRD)을 건설 중에 있다. 이 빔라인은 3.5 keV ～ 16 keV의 경 x-선을 사용하여 EXAFS (Extended x-ray absorption fine structure)와 HRXRD(high resolution x-ray diffraction)가 가능한 빔라인으로 Si(111) 단결정을 단색화 장치로 사용하여 건설하고 있다. 방사광 EXAFS는 특정 원소의 흡수단의 x-선 흡수 특성을 분석하여 이웃원자의 종류와 거리 및 결합수 등에 대한 정보뿐만 아니라 흡수단 근

처의 전자구조 변화를 통한 화학적 결합상태에 대한 정보도

함께 제공하므로 나노소재 및 나노소자의 국소미세구조와 물

성 특성의 메커니즘을 규명할 수 있으며, 특히 나노 재료들에 대한 미세구조와 전자구조를 측정하고 이해하는데 필수적인

기술로 고분해능 방사광 XRD와 함께 나노 과학기술과 관련된 다양한 연구를 수행하게 될 것이며, 현재 운영 중인 연 x-선 흡수분광 빔라인의 NEXAFS 측정을 통한 전자구조 분석과 결합하여 KIST의 나노 과학 기술 분야뿐만 아니라 환경, 정보 통신 분야의 기초연구수행을 지원하게 될 것이다.

3 나노표면 분석기술

최근 들어 고체물질 연구의 중요한 부분을 차지하고 있는

것이 재료의 표면 측정 및 분석이다. 물질 자체의 성질과는 크게 다를 수 있는 표면이라는 영역을 여러 측면에서 정의할

수 있는데 일반적으로 표면이란 다른 상과 계면을 이루는 한

상의 경계면을 말한다. 고체물질의 표면성분은 학문적인 연구 분야 뿐만 아니라 산업체, 생의학 및 여러 기술적인 응용분야에 매우 중요한 역할을 차지하고 있다. 본 센터는 산업 환경의 변화에 따라 표면분석장비인 AES, XPS, TOF-SIMS, D-SIMS, RBS 등 고가 분석 장비 들을 도입하여 표면 및 재료 분석과 평가 분야에 원활히 사용하고 있다. 고분자, 반도체, 금속, 세라믹 그리고 다른 고체물질의 복잡한 성분분석은 표면측정 기술에 의해 상당히 향상되어 왔으며 표면분석의

다양한 방법들이 개발되어 거의 모든 종류의 유기, 무기 물질들을 성공적으로 확인, 규명하고 있다.첨단 표면분석의 대표적인 장비 중 하나인 Dynamic SIMS

는 KIST에서 수행중인 나노 소재 기술개발, Spintronics, 테라비트급 나노 소자 등 NT 관련 대형 국책사업을 성공적으로 수행하는데 있어서 재료 및 소자의 극미량 성분분석, 미량성분의 정량분석, 다층박막 및 미세영역 분석 등으로 적극 활용하고 있다. 또한 수 나노미터의 자성박막의 극미량, 극미세 물질 분석을 통하여 차세대 반도체 개발 등에 중요한 역할을

하게 되며, 그 밖의 금속, 반도체, 세라믹, 고분자 등 첨단 재료의 표면특성 평가에 필수적인 분석결과를 제공한다.

SIMS를 이용한 표면분석에는 표면구성원소의 정성 및 정량분석, 분자구조분석, 깊이방향의 원소분포분석인 수직분포도, 그리고 이미지 분석 등을 들 수 있다. TOF-SIMS의 기기적 특성으로 분자량 10,000 Da 이하 고분자의 분자량 분포도를 측정할 수 있고 올리고머 피크의 정확한 질량측정으로

두 개의 말단기와 반복기 개수, 그리고 표면의 첨가제나 불순물 등 여러 정보를 얻어 낼 수 있다. 또 다른 예로 재료나 제품 표면에 묻어 있는 오염의 측정 및 확인을 들 수 있는데, 이는 극미량의 분자분석에 대한 TOF-SIMS의 역할을 나타내며 전자소재 및 소자의 나노영역 분석에 대한 활용도 클 것

으로 기대되어진다. 수직분포분석은 이온빔을 이용하여 표면을 스퍼터링하면서 분당 수십에서 수백 Å씩 깎아내려가는

동안 깊이 방향으로 원소의 분포도를 측정하는 방법이다. 이와 같은 SIMS 수직 분포도의 가장 큰 특징은 수 ppm 영역까지 측정할 수 있는 우수한 검출한계와 1-2단층 깊이에 대한 정보, 매우 빠른 분석속도라고 할 수 있다. 이 기술은 수 nm의 깊이 분해능을 갖는 초박막 수직 분포도 뿐만 아니라 μm 크기의 두꺼운 절연체시료 분석에도 활용되어지고 있다. 또한, 작은 표면영역 (ø>100 nm)에 초점이 맞추어진 펄스 일차이온빔으로 원자와 분자들의 지도화(mapping)를 통하여 원소와 분자의 공간적인 분포를 분석할 수 있어 표면 이미지

개발을 통해 새로운 응용분야로 등장하고 있다.XPS는 물질 표면에 짧은 파장의 X-선을 주사하여 방출되

는 전자의 운동에너지를 측정하는 것으로 이를 통하여 시료

표면을 구성하는 원자 내 전자의 결합상태를 알아볼 수 있다. 반도체 소자의 크기가 작아지고 있기 때문에 소자의 내구성

을 확보하기 위해 소자의 조립과정에서 일어나는 반도체의

상호작용을 이해하는 분야에 이용하며, 반도체 표면을 세척하거나 산화물 박막을 성장시키거나 혹은 원소를 주입하는 것

과 같은 여러 공정을 분석하는데 XPS를 활용하고 있다. XPS는 이종접합이나 양자우물 구조와 같은 소자에서 박막들 사

이의 계면에서 일어나는 화학적 변화에 대해서도 적절하고

물리학과 첨단기술 June 2006 49

그림 12. RBS instrument for the nano-analysis of material surface

(Model : NEC 6SDH2).

정확한 정보를 제공하고 있다. 여러 연구 그룹에서 XPS를 이용하여 고분자 표면이나 계면의 작용기에 대한 상세한 정보

를 얻고 있으며 생체재료에 이용한 연구도 발표하고 있다. 이 분야의 연구는 대부분 무기물질과 생유기분자 사이의 계면에

서의 상호작용을 연구하는데 집중되어 있다.AES는 시료의 표면분석에 널리 사용되어 왔으며, 최근에는

나노미터 공간분해능으로 표면의 2차원 화학조성 상을 얻을 수 있다는 점에서, 반도체 소재 및 나노 소자의 평가기술로써 자리를 잡아가고 있다. AES의 가장 큰 장점은 전자빔을 집속함으로 인해 국소영역의 분석이 가능하며, 전자빔을 주사하여 나노 크기의 공간분해능을 갖는 원소 이미지를 갖는다는 것

이다. 주사 이미지상에서는 특정원소의 Auger 전자 에너지만을 선별하여 그 세기를 상으로 나타내는 Electron mapping인 SAM 기능을 가진다. 최근의 AES 장치와 관련한 진보는 Scanning Auger Nanoprobe 개발로 공간분해능 및 에너지 분해능에 있어서도 괄목할 만큼 향상되어 현재 10 nm 이하의 공간분해능으로 반도체 소자, 나노소자 및 국소 표면 현상에 대한 연구에 용이하게 사용하고 있다.본 센터가 2 MV tandem형 입자가속기를 미국 NEC사에서

구입 설치된 이래, 현재까지 RBS(Rutherford Backscattering Spectrometry)/channeling, ERD(Elastic Recoil Detection), resonance scattering, PIXE(Proton Induced X-ray Emission) 등과 같은 다양한 자체 분석시스템을 갖추고 있다.(그림 12) 이러한 다양한 분석시스템을 이용하여 수소를 비롯한 경원소들과

ppm 수준의 극미량 중원소에 대한 비파괴 정량분석 서비스를 원내․외에 제공함으로써 반도체, 세라믹, 금속, 고분자, 신소재 재료 연구 분야의 연구력 향상에 기여하고 있다. KIST 2 MV 가속기는 120 kV implantation beam line, MeV implantation beam line이 갖추어져 있어 분석 장비로 활용될 뿐만 아니라 반도체, 금속, 세라믹 등의 물리적, 화학적 물성개질에 활용되어 오고 있다. 07년 활용을 목표로 현재 기존의 RBS 시스템에

magnetic spectrometer를 부착하여 nm scale의 깊이 분해능을 지닌 고분해능 RBS 분석시스템을 자체 설계 제작 중에 있다.이러한, 나노표면 분석 장비들은 복잡한 고분자의 표면구조

뿐 아니라 금속, 반도체, 세라믹 등 모든 종류의 물질에 적용할 수 있다. 평평한 단결정 표면뿐만 아니라 거친 다결정성 표면, 직물, 나노입자, 마이크로 구조표면 등 어떠한 구조의 시료도 측정이 가능하며 현재 고분자, 마이크로 전자소자, 촉매연구에서부터 임상분석, 환경 분야, 그리고 모든 종류의 미세구조 시료에까지 널리 사용되고 있으며 앞으로도 그 응용

분야는 더욱 확대될 것이다.

4. 극미량 분석

본 센터가 초 극미량의 금속성분(환경, 생체 및 재료 매트릭스내) 분석을 위해 보유하고 있는 분석 장비로는 원자흡수분광기(AAS), X-선 형광분석기(XRF)와 X-선 회절분석기(XRD), 탄소-황 분석기, 자외선-가시선 분광분석기(UV-VIS) 등이 있다. 상기장비들을 활용하여, 일반적인 초 극미량 금속성분들 뿐만 아니라, 내화성 원소들과 희토류 원소들의 복잡한 분리과정이나 농축과정을 거치지 않고도 직접 분석할 수

있으며, 금속 중의 수소, 질소, 산소 등을 분석할 수 있는 장비가 도입됨으로써 무려 80여 원소들을 정확하게 분석할 수 있게 되었다. ICP-MS는 극미량 분석에서 절대적으로 사용되어오던 전열 원자흡수분광기(electrothermal AAS) 대신, 농축이나 분리과정 없이 보다 낮은 sub ppt 수준까지도 분석할 수 있게 되었다. 따라서 매트릭스의 구분 없이 초극미량 수준의 금속성분을 분석 정량하는 것이 가능하다. 또한 비파괴 분석법인 XRF, XRD를 이용하여 화학결합 상태를 분석함으로써 복잡한 유기재료 및 첨단 무기재료의 구조를 규명하였고

티탄산 바륨 소재를 포함한 여러 종류의 XRF 분석용 표준시료 제작 및 ferrite 소재의 XRF 분석법 표준화 등 분석에 필요한 분석기술을 개발하였다. 그 외에도 수소연료전지 사업단의 성분분석, 화공 분야, 나노 재료 연구 분야 등 주요 연구에 필수적인 분석지원을 수행하고 있다.

맺음말

국가의 차세대 성장동력의 주공급원으로서 나노기술의 중

요성은 아무리 강조해도 지나치지 않으며 더불어 나노 구조

분석기술은 나노 구조의 극한 특성을 해석하는데 기반이 되

고 있다. 이상에 소개한 최첨단의 분석전자현미경들을 비롯한 분석 장비 및 기술을 적극적으로 활용함으로서 나노 소자 및

나노 소재의 기술개발을 더욱 심화시키고 산업화로의 이행을

촉진하는데 기여할 것으로 확신한다.