1나노미터 이하 초미세공간 분자이동 이렇게…원리 규명

울산대는 기계공학부 김보흥 교수 연구팀 규명

분자-벽면 마찰이 물질수송 좌우…새 예측 이론

차세대 반도체 세정·식각·증착 초미세공정 활용

[울산=뉴시스] 1나노미터 이하의 나노통로에서 원자 하나가 이동하는 경로를 추적해 물질전달 특성을 분석한 모습. (사진=울산대학교 제공) 2026.08.10. [email protected] *재판매 및 DB 금지

[울산=뉴시스] 구미현 기자 = 울산대학교 연구팀이 1나노미터(㎚) 이하의 극도로 좁은 공간에서 분자가 이동하는 원리를 밝혀냈다.

울산대는 기계공학부 김보흥 교수 연구팀이 초미세 공간에서 나타나는 분자 수준의 물질수송 현상을 분석하고 이를 정량적으로 예측할 수 있는 새로운 이론적 기반을 제시했다고 10일 밝혔다.

1나노미터는 10억분의 1ｍ이다. 이 정도로 공간이 좁아지면 액체나 기체가 지나는 통로를 분자 몇 개가 겨우 통과할 수 있는 수준이 된다. 기존 유체역학에서는 물질을 연속적인 흐름으로 다루지만 이처럼 극도로 좁은 공간에서는 분자의 개별적인 움직임을 고려해야 해 기존 이론만으로는 물질 이동을 정확히 설명하기 어렵다.

연구팀은 탄소나노튜브와 같은 초미세 통로에서 분자들이 한 줄로 이동하는 '단일열 수송' 현상을 분자동역학 시뮬레이션을 통해 분석했다.

그 결과 일반적인 유체의 흐름에서 주요하게 작용하는 '점성'보다 분자와 통로 벽면 사이에서 발생하는 '마찰'이 물질 이동을 결정하는 핵심 요인이라는 사실을 확인했다.

또 통계역학적 분석을 통해 개별 분자의 움직임을 바탕으로 장시간에 걸친 물질전달 특성을 예측하는 방법도 제시했다.

이번 연구는 기존 유체역학으로 설명하기 어려웠던 1나노미터 이하 공간에서의 물질 이동을 분자와 표면 사이의 마찰을 중심으로 해석했다는 점에서 의미가 있다.

특히 반도체 제조공정이 점점 미세화하면서 세정과 식각, 증착, 박막 형성 등 공정 과정에서 발생하는 분자 수준의 물질전달 현상을 이해하고 공정 조건을 설계하는 데 활용될 것으로 기대된다.

[울산=뉴시스] 울산대 Jaber Al Hossain(왼쪽) 박사과정생과 김보흥 교수. (사진=울산대학교 제공) 2026.08.10. [email protected] *재판매 및 DB 금지

연구팀은 향후 유체의 종류와 표면 특성, 구조 등에 따른 물질전달 특성을 사전에 예측할 수 있게 되면 반복적인 실험과 시행착오를 줄이고 초미세 반도체 공정의 설계 정확도를 높이는 데 도움이 될 것으로 전망했다.

김 교수는 "1나노미터 이하에서는 기존 유체역학으로 설명하기 어려운 새로운 물리현상이 나타난다"며 "이번 연구는 분자와 표면 사이의 마찰을 바탕으로 초미세 공간의 물질전달을 예측할 수 있는 새로운 해석 틀을 마련했다는 데 의미가 있다"고 말했다.

그는 "원천 이론이 반도체 제조·공정 기술과 접목되면 차세대 초미세 공정의 설계 정확도를 높이고 연구개발에 필요한 시간과 비용을 줄이는 데 기여할 것으로 기대한다"고 밝혔다.

이번 연구는 김보흥 울산대 교수가 교신저자를, 기계자동차공학부 Jaber Al Hossain 박사과정생이 제1저자를 맡았다. 미국 테네시대 채터누가캠퍼스와 인도공과대학교 카라그푸르 연구진도 공동으로 참여했다.

연구 결과는 나노과학 분야 국제학술지 'Small'(인용지수 11.8)에 게재됐으며, 연구의 우수성을 인정받아 표지논문으로 선정됐다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 국가반도체연구실지원핵심기술개발사업(NSL)과 InnoCORE 사업의 지원을 받아 수행했다.


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