분자·벽면 마찰로 나노통로 수송 예측

울산대학교 기계공학부 김보흥 교수 연구팀이 1나노미터 이하의 초미세 통로에서 일어나는 분자 수준의 물질수송을 정량적으로 예측할 이론적 기반을 마련했다. 연구팀은 일반적인 유체 흐름에서 중시되는 점성보다 분자와 통로 벽면 사이의 마찰이 물질 이동을 좌우하는 핵심 요인임을 확인했다.

연구팀은 탄소나노튜브처럼 폭이 매우 좁은 통로에서 분자들이 한 줄로 움직이는 ‘단일열 수송’ 현상을 분자동역학 시뮬레이션으로 분석했다. 원자 하나의 이동 경로를 추적해 물질전달 특성을 살핀 뒤, 통계역학적 분석을 적용해 개별 분자의 움직임만으로 장시간에 걸친 수송 특성을 예측하는 방법도 제시했다.

1나노미터는 10억분의 1ｍ로, 이보다 좁은 공간에서는 액체나 기체가 지나는 통로에 분자 몇 개만 통과할 수 있다. 물질을 연속적인 흐름으로 보는 기존 유체역학만으로는 이런 환경의 이동 현상을 정확히 설명하기 어렵다. 이번 연구는 분자와 표면 사이의 마찰을 중심으로 초미세 공간의 물질 이동을 해석하는 새로운 틀을 구축했다.

이 이론은 반도체 공정의 세정·식각·증착·박막 형성 과정에서 나타나는 분자 단위의 물질전달을 이해하고 공정 조건을 설계하는 데 활용될 가능성이 있다. 김 교수는 교신저자, 기계자동차공학부 Jaber Al Hossain 박사과정생은 제1저자를 맡았으며 미국 테네시대 채터누가캠퍼스와 인도공과대학교 카라그푸르 연구진이 공동 참여했다. 연구 결과는 인용지수 11.8인 국제학술지 ‘Small’에 실려 표지논문으로 선정됐다. 연구는 과학기술정보통신부 국가반도체연구실지원핵심기술개발사업과 InnoCORE 사업의 지원으로 수행됐다.