^*나노(nano) 공정: 회로 폭을 100㎚(나노미터, 10-9m로 머리카락 하나를 수만 개로 쪼갠 수준임) 이하로 줄여 반도체등을 만드는 공정

^*축전효과: 틈을 사이에 둔 금속층이 마치 전극처럼 작용해 그 사이에서 전하가 쌓이는 현상

^*유전율(유전상수): 외부 전기장에 반응해 물질 내에서 반대 방향의 전기장이 생기는 정도를 나타는 값. 물질 고유 값인 유전상수에 따라 달라진다. 진공의 유전상수는 1이다. 통과하는 물질의 유전율에 따라 빛의 진행 속도가 달라진다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

나노 공정 기술이 발전함에 따라 수 나노미터(nm, 10-9m), 혹은 그보다 더욱 작은 금속 구조물의 제작에 대한 기술 개발이 활발히 이루어지고 있다. 일반적인 나노 공정의 경우 기기의 분해능에 따른 최소 선폭의 한계가 존재하여 수 나노미터 미만의 패턴을 만드는 것이 현재로서는 불가능하다.

한편, 금속 박막에 생기는 균열을 이용한 나노 패터닝의 경우 ‘0 나노미터’에서 시작하는 틈 구조이므로 이론적으로 1 나노미터 미만의 패턴 크기를 만들 수 있으나, 원하는 형태와 틈의 너비를 조절하기 어렵다는 단점이 있었다.

2. 연구내용

본 연구에서는 금속 박막에 일어나는 균열을 원하는 모양으로 패터닝하고 나아가 틈의 너비를 100 나노미터 이상부터 0 나노미터까지 자유롭게 조절할 수 있는 기술을 개발함으로써 고효율 마이크로파 스위칭 소자를 제작하였다. 이는 휘어지는 기판 위에 두 금속 층을 서로 다른 조건 하에 증착하고, 기판에 장력을 가할 경우 두 금속 층의 접촉면으로만 균열이 생기는 원리를 이용한 것이다. 이와 같이 제작된 금속 틈 구조는 너비를 100 에서 0 나노미터로 조절함으로써 투과도를 0.85에서 10-5까지 연속적으로 바꿀 수 있으며 10,000번 이상 작동 후에도 소자가 망가지지 않는 높은 내구성을 보인다. 

3. 기대효과

본 연구에서 소개한 제작법은 비싸고 복잡한 공정 장비 없이도 1 나노미터 미만 선폭의 나노구조를 제작할 수 있을 뿐 아니라 내구성도 높아 다양한 분야에 활용이 가능하다. 특히 틈에 의한 전자기파의 투과 및 차폐는 마이크로파 뿐 아니라 테라헤르츠 및 적외선에서도 매우 효율적인 메커니즘이기 때문에 5G/6G 통신 제어를 위한 차세대 능동 소자로도 활용 가능성이 높다.

[붙임] 연구결과 개요, 용어설명

그림 1. 0 나노미터 광학 소자의 제작 방법 및 작동 원리. (a) 유연한 기판 위 첫 번째 금속 박막 패터닝. (b) 패턴 옆에 두 번째 금속 박막 증착. (c) 장력(당기는 힘)을 가해 틈 구조 생성. 두 금속 층이 성질이 다르므로 균열이 첫 패턴 가장자리에 생성되며, 틈의 너비는 수백 나노미터에서 0 나노미터까지 자유롭게 조절할 수 있음.

그림 2. 0 나노미터 광학 소자의 특성분석. (a) 4인치 웨이퍼(wafer) 크기로 제작된 소자의 사진. (b-e) 기판을 구부리거나 (on) 펴주는 (off) 것에 따른 틈 구조의 열림과 닫힘. (f) 제작된 0 나노미터 광학 소자의 스위칭 특성 (on/off 비율 ~ 105).