분자·벽면 마찰로 1㎚ 이하 물질 이동 해석

울산대학교 기계공학부 김보흥 교수팀이 1㎚(나노미터·10억분의 1ｍ) 이하의 극도로 좁은 공간에서 분자가 이동하는 원리를 규명하고, 물질 전달 특성을 정량적으로 예측할 수 있는 이론을 제시했다. 기존 유체역학만으로 설명하기 어려웠던 초미세 공간의 물질 이동을 분석할 새로운 기반을 마련한 연구다.

연구팀은 탄소나노튜브와 같은 초미세 통로에서 분자들이 한 줄로 움직이는 ‘단일열 수송’ 현상을 분자동역학 시뮬레이션으로 분석했다. 분석 결과 일반적인 유체의 이동에서 중요하게 다뤄지는 점성보다 분자와 통로 벽면 사이에서 생기는 마찰이 물질 전달을 좌우하는 핵심 요인으로 확인됐다. 이어 통계역학적 분석을 적용해 개별 분자의 움직임으로부터 장시간에 걸친 물질 전달 특성을 예측하는 방법도 제시했다.

반도체 공정이 1㎚ 수준으로 미세해지면 액체나 기체가 지나는 공간 역시 분자 몇 개가 겨우 통과할 정도로 좁아진다. 이 환경에서는 물질을 연속적인 유체로 간주하는 기존 유체역학의 접근만으로 분자의 움직임을 정확히 설명하기 어렵다. 연구팀은 초미세 통로 내부에서 두드러지는 분자와 표면 사이의 마찰을 해석의 중심에 놓아 이 같은 한계를 보완했다.

이번 이론은 분자와 표면의 마찰을 토대로 초미세 공간의 물질 전달을 예측하는 해석 틀이라는 데 의미가 있다. 반도체 제조·공정 기술에 접목할 경우 차세대 초미세 공정의 설계 정확도를 높이고 연구개발에 드는 시간과 비용을 줄이는 데 기여할 수 있다는 것이 연구팀의 판단이다. 과학기술정보통신부의 지원을 받은 연구 결과는 나노과학 분야 국제 학술지 ‘스몰’의 표지 논문으로 선정됐다.