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방사광을 이용한 나노계면의 평가기술과 응용

전문가 제언: ○ 방사광(synchrotron radiation)이란 높은 에너지로 가속된 전자가 자장에 의하여 궤도를 틀 때 진행방향으로 방출되는 전자파로서 밝기는 기존 X선의 수백만 내지 수억 배 이상이고, 파장은 X선에서부터 적외선까지 넓은 영역을 포함하며 집속성이 강하고 레이저와 같이 지향성이 있다. 현재 수keV에서 100keV 정도까지의 X선 영역의 광을 이용하는 방사광이 물질의 구조를 탐구하는 기초과학에서부터 재료공학, 유전공학, 신의약 개발 등 응용분야에까지 폭넓게 이용되고 있다.

○ 재료공학에서 방사광은 나노박막의 성분분포와 계면구조를 분석하는 도구로 많이 이용되어 계면제어에 의한 박막 디바이스의 개발에 크게 기여하고 있다. 본고에서는 방사광각도분해 광전자분광(ARPES), 광전자현미경(PEEM) 등을 이용하여 LSI게이트 절연막, 불휘발 메모리, 연료전지 촉매의 나노계면 해석사례를 소개하고 있다. ARPES는 광전효과로 방출되는 전자의 세기를 분석하여 재료의 전자상태를 측정하는 기술로서 원소분포뿐만 아니라 화학결합 상태를 알 수 있는 장점이 있다.

○ 방사광은 재료의 제조과정에서 일어나는 변화의「in-situ관찰」에도 이용된다. 이메징법으로는 Bragg반사조건을 만족하는 영역에서 회절된 X선을 모니터링하는 토포그래피(tophography)법이 있다. 이 방법으로 전위와 같은 격자결함에 의한 X선의 간섭을 이용하면 결함의 형성이나 소멸을 실시간으로 관찰할 수 있다. 또 용융금속의 응고과정에서 덴드라이트의 성장과 응고조직이 형성되는 과정을 관찰함으로써 주조결함의 형성기구를 파악할 수 있다.

○ 국내에는 포항에 2.5GeV로 전자를 가속시키는 길이 160m의 선형가속기(PLS)가 1995년 설치되어 지금까지 2,200여 편의 논문이 발표되었으며 이 중에는 네이처지의 커버스토리로 소개되는 성과도 있었다. 현재 동적현상을 관찰하는 제4세대 가속기의 설치도 추진되고 있어 첨단 분야의 연구가 더욱 활성화 될 것으로 기대된다. 다만 방사광 시설의 활용도를 높이기 위해서는 분석도구로 활용하는데 그치지 말고 미지의 현상을 분석하는 새로운 분석기법의 개발도 필요하다.

저자: Masaharu Oshima
자료유형: 학술정보