플라스마 연구 드림팀 신산업 창출

[대표연구개발팀을 찾아서]16.핵융합연구소 응용기술개발그룹

재료연구 등 4개팀 구성…국내기술 연구 ‘매진’
반도체 직접화 향상위한 중성입자빔 개발성공
“DB 구축 등 국가 자원화.경쟁력 강화 선도”


고체와 액체, 기체 상태가 아닌 제4의 물질상태인 플라즈마에 주목하라! 우주의 99.9%를 차지하는 플라즈마는 반도체와 항공우주, 바이오 및 나노, 정보, 환경 등 활용분야에서 활용가치가 매우 높다. 이 때문에 미래 국가경쟁력 확보를 위한 선진국간 경쟁을 치열하다. 국내 플라즈마 DB의 자원화와 각종 핵심기술 개발을 통해 국내 플라즈마 기술개발을 선도하고 있는 국가핵융합연구소 응용기술개발그룹을 찾았다.(편집자 주)

▲ 국가핵융합연구소 응용기술개발그룹이 국내 플라스마 기술개발을 선도하고 있다. 사진 앞줄 왼쪽부터 정주야 행정원, 오경숙.송미영 박사, 이봉주 그룹장. 뒷줄 왼쪽부터 유석재.조권국.김영우.노태협.윤정식.정용호 박사.

▲제4의 물질상태, 플라즈마란=고체와 액체, 기체 상태와 또 다른 제4의 물질 상태로, 고온에서 이온과 전자가 분리돼 이온화된 상태를 말한다. 우주 구성물질의 99.9% 이상을 차지하며, 일상생활 적용은 형광등과 네온사인 등에서 발견할 수 있다. 플라즈마 응용분야는 반도체와 항공우주 산업, 바이오(BT), 나노(NT), 정보(IT), 최첨단 우주 추진체, 온실가스 및 공해오염 가스 정화, 수소에너지 생산, 태양전지, 고도정수 시설 등으로 다양하다.

▲플라즈마 드림팀, 응용기술개발그룹=나노 및 정보기술, 환경 및 신재생에너지 기술 등 산업체 전반에 광범위하게 활용되고 있는 플라즈마 응용기술의 산업화 촉진을 통해 신산업 창출과 국내 산업의 고부가가치화에 기여하고 있다. 이봉주 그룹장을 중심으로 노태협 팀장 등 플라즈마 재료연구팀과 유석재 팀장 등 응용기술연구팀, 정용호 팀장 등 기술실용화사업팀, 윤정식 팀장 등 플라즈마 물성데이터연구팀 등 모두 4개팀이 플라즈마 드림팀을 형성했다.

▲반도체 초소형화 및 집적도 향상, 중성입자빔으로 해결=반도체 집적화 향상의 핵심변수는 바로 회로 선폭을 줄이는 플라즈마 기술개발이다. 이는 반도체 기판 위에서 전류가 흐르는 길을 파는 식각 기술을 말하는데, 현재의 기술은 한계에 다다른 상황이다. 플라즈마 이온(+)은 기판에 붙어있는 전자(-)에 끌려 경로가 살짝 휘어지기 때문에 반듯한 전류 길을 만들 수 없다.

응용기술개발그룹은 이같은 한계를 극복한 중성입자빔 발생기를 개발했다. 고에너지인 이온에 전자를 미리 입혀 중성입자를 만드는 방식으로, 중성입자를 기판에 수직으로 내리 꽂으면 중간에 휘어지지 않고 매끄러운 전류 길 형성이 가능해진다. 반도체 회로 제조에 적용하기 위한 연구를 진행 중인데, 2012년까지 선폭 32nm를 구현할 목표다.

현재는 선폭 50nm 반도체가 활용되고 있다. 중성입자빔은 달력처럼 둘둘 말 수 있는 반도체 개발에도 적용될 전망이다. 이를 위해서는 유기소재인 플라스틱을 활용해야하는데, 기존의 1000도 이상의 고온 중착방식으로는 플라스틱이 녹아내려 적용할 수 없다. 고에너지의 중성입자빔을 통해 상온에서 중착방식으로 대체하는 방법이 유용하며, 이는 2012년께 상용화할 계획이다.

▲살균 및 대기환경 정화에 활용될 대기압 플라즈마 기술=이는 응용기술개발그룹을 대표하는 또 다른 연구과제로, 액정표시장치(LCD)용 기판의 표면을 세정하는 기능을 갖는다. 반도체 선폭 축소와 중착 등의 정밀 작업에는 진공에서 생산한 플라즈마가 필요한데, 고가의 비싼 장치가 뒤따라야 한다. 반면 기판 표면의 불순물인 탄소-수소 화합물의 세정에는 대기압에서 생산한 플라즈마가 효과적이다.

기판 표면에 플라즈마를 발생시켜 대기 중 산소를 오존으로 바꾸면, 불순물과 결합한 오존이 이산화탄소와 수증기로 변환돼 대기로 날려 보내는 원리다. 자동차 배기가스에 포함된 낙스와 삭스 등의 유해화합물을 무해한 물질로 바꾸는데도 효과적이다. 지난해 말 (주)셈테크놀로지로 기술이전되는 등 향후 환경과 에너지 문제해결에 큰 역할을 수행할 것으로 기대된다. 이밖에 미래 대체에너지 수소 제조연구에도 플라즈마를 활용하고 있다.

전자렌지에 쓰이는 마이크로파가 물과 만나면 플라즈마 상태로 전환되고 고에너지의 전자를 생산한다. 전자가 다시 물과 반응해 브라운가스(수소 및 산소의 혼합가스)를 발생시키는 방식으로, 기존 전기분해 방식보다 효율이 80% 이상 높다. 이는 연료전지와 수소자동차에 활용될 전망이다.

▲플라즈마의 국가자원화 선도=응용기술개발그룹은 플라즈마 물성 DB 구축을 통해 플라즈마의 국가 자원화 및 경쟁력 강화에 나설 계획이다. 현재 71건의 전자충돌에 의한 수소분자 산란 단면적 데이터를 평가한 14건의 데이터를 미국 국가참조표준에 등록했고, 지난해 말 (주)휴먼스캔과 (주)경원테크에 기술이전도 진행했다. 고가의 해외정보를 이용하는데 어려움을 겪던 국내 반도체 관련 중소기업의 경쟁력 강화에 기여할 것으로 기대된다.

이봉주 그룹장은 "대기압 플라즈마와 중성 입자빔 기술은 세계 최고 수준에 근접해 있다고 자부한다"며 "수소발생장치 또한 수소경제 선도국인 아이슬란드가 벤치마킹하고 있으며, 5년 내 플라즈마 응용기술 활용이 본격화될 경우 1조원의 생산유발효과와 국가경쟁력 강화에 크게 기여할 것"이라고 말했다./이희택 기자 [e-mail]