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기업지원성과 사례
占쏙옙占쏙옙占쏙옙 루프탑부터 솔라카까지 활용 가능한 고효율 고출력 태양광 모듈 제품 개발 |
占쏙옙占쏙옙占� 시편 제작과 전처리 가능한 소형 플라즈마 클리너 개발 |
占쏙옙占쏙옙占쏙옙 탄소나노튜브와 고분자를 결합한 고감도 저비용 압력 센서 개발 |
기술지원기업 | ㈜제이하라
연구책임자 | 희소금속산업기술센터 김규현 수석연구원
분석은 소재를 개발할 때나 제품 제조 공정의 문제점을 파악하는 데 필수 과정이다. 정확한 분석을 위해서는 최초의 시편 상태를 유지하는 것이 필요한데, 이때 필요한 전처리 장비는 외산 제품에 의존하고 있다. 이런 상황에서 희소금속산업기술센터 김규현 수석연구원 팀과 ㈜제이하라가 국내 최초로 시편 전처리 공정장비를 개발해 상용화를 앞두고 있다.
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정확한 분석을 위해 필수적인 시편 오염 제거
기술이 발전하고 산업에서 요구되는 소재의 특성이 비약적으로 증가하면서 초정밀 구조 분석에 대한 필요성이 증가하고 있다. 소재의 구조를 나노 단위 까지 분석하기 위해서는 주사전자현미경, 투과전자현미경 등의 사용이 필수적이다.
초정밀 분석 장비를 이용해 분석을 하려면 실험을 위한 재료의 단일 조각인 ‘시편’이 필요하다. 특히 투과전자현미경 분석을 위한 시편은 지름 3㎜ 정도의 원 형태로 제작하며 전자 투과를 위해 수십㎚의 두께로 만든다. 김규현 수석연구원은 시편을 제작하는 과정에서 오염이나 손상이 발생할 수 있다는 점이 큰 문제라고 말한다.
“시편은 연마, 세척, 밀링의 과정을 거쳐 만들어진 뒤 보관됩니다. 연마와 세척 단계에서 에탄올 또는 아세톤 사용으로 인해 유기물이 흡착될 수 있고 밀링 단계에서는 무기물이 생성되거나 표면 손상이 발생할 수 있습니다. 보관할 때 대기 산소와 흡착돼 산화물이 생성될 가능성도 있죠.”
시편 제작 중에 생성된 오염물은 소재 설계 및 공정 과정과 상관없이 생성된 물질로 이를 잘못 분석하는 경우 공정 전체를 다시 검토해야 할 수도 있다. 공정 설계 및 변경에 따르는 시간과 비용만큼의 손실이 생기게 되는 것이다.
고가의 외산 장비를 대체할
국산 플라즈마 클리너
그러므로 시편을 만드는 과정에서 생긴 오염을 제거하는 것은 정확한 분석을 위한 선결조건이다. 분석 시편 제작의 중요성을 잘 알고 있는 김규현 수석연구원은 ㈜제이하라와 함께 시편 전처리 공정장비인 플라즈마 클리너 개발과제를 진행하고 있다.
“외산 플라즈마 클리너는 가격이 1억 5천만 원에서 2억 원 정도로 고가입니다. 사용자에 맞게 커스터마이징하는 것도 어렵습니다. 소형 시편 전처리 장비의 국산화가 절실하다고 생각하던 차에 플라즈마 기술 노하우를 보유한 제이하라 김홍습 대표님을 만나 공동개발을 시작하게 됐습니다.”
▲ 국산 플라즈마 클리너를 공동개발하고 있는 김규현 수석연구원(오른쪽)과 ㈜제이하라 김홍습 대표(왼쪽) ⓒ한국생산기술연구원
㈜제이하라는 플라즈마 클리너 하드웨어 제작을 맡았다. 대형 플라즈마 장비 제작 경험을 바탕으로 초정밀 분석에 적합하게 장비를 소형화하는 작업을 진행했다. 김 수석연구원 팀은 플라즈마 클리너의 성능을 시험·분석·평가하는 기술적 지원을 통해 제품을 최적화할 수 있도록 했다. 이 과정에서 연구팀이 자체 개발한 정량평가 프로그램을 활용했는데, ㎚ 이하 영역에 대한 시편 손상도를 정밀하게 측정해 데이터를 분석함으로써 플라즈마 클리너의 성능을 향상시키는 데 큰 역할을 했다.
시편의 오염물을 화학적, 물리적으로 떼어내는 기술
플라즈마 클리너는 어떻게 시편의 오염물을 제거할 수 있을까? 김 대표는 플라즈마의 화학 반응을 통해 오염물을 제거한다고 설명한다.
“플라즈마는 반응성이 강한 특성을 가지고 있습니다. 플라즈마가 화학 반응을 일으켜 오염물을 가지고 날아가는 원리죠. 예를 들어 시편 표면에 발생한 탄소 오염물은 산소에 반응하기 때문에, 플라즈마에 반응성이 큰 산소를 함유시키면 오염물이 흡착돼 진공 상태에서 사라지게 됩니다. 플라즈마 클리너의 작은 챔버(Chamber)에 시편을 넣은 후 플라즈마 빔을 쏘면 위와 같은 과정을 거쳐 오염물이 제거되는 것입니다.”
김 수석연구원 팀과 ㈜제이하라는 공동개발 첫 해인 2017년에 이미 외산 장비와 유사한 수준의 플라즈마 클리닝 기능을 구현했다. 이어 2018년에는 플라즈마 에칭 기능을 추가했다. 에칭(Etching)은 중성 플라즈마빔을 활용해 물리적인 방법으로 시편의 오염물을 떼어내는 기술이다. 금속 시편을 만들 때 소재의 원자를 뜯어내는 방법을 사용하는데, 작업 중 일부 원자들이 시편에 다시 붙는 경우가 생긴다. 이렇게 되면 미세구조가 원래 시편과 달라지거나 분석 시 이미지에 노이즈가 발생할 수 있다. 에칭 기능을 사용하면 시편에 들러붙은 원자들을 효과적으로 제거할 수 있다. 실제로 플라즈마 클리닝과 중성 플라즈마빔 에칭을 금속 시편에 복합 시행한 결과, 유·무기물을 98% 이상 제거하는 성능을 보였다.
▲ ㈜제이하라에서 제작한 플라즈마 클리너 시제품 ⓒ한국생산기술연구원
기능은 올리고 가격은 낮춰 세계시장 도전
현재는 시편 전처리 공정 기능을 확대하는 연구를 진행하고 있다. TEM, SEM 같은 초정밀 분석 장비용 시편은 얇으면 얇을수록 좋기 때문에 100㎚ 이하로 만들기도 한다. 하지만 시편을 얇게 만드는 것은 쉬운 공정이 아니다. 김 수석연구원은 중성 플라즈마빔을 활용해 얇은 시편을 제작하는 기능을 추가할 예정이다.
“중성 플라즈마빔은 오염을 물리적으로 제거할 뿐만 아니라 시편을 더욱 정밀하고, 얇고, 균일하고, 느리게 에칭할 수도 있습니다. 이 기능을 추가하면 오염물 제거는 물론이고 정확한 시편을 제작하는 데 도움을 줄 수 있는 일석이조 플라즈마 클리너 장비가 될 것으로 기대합니다.”
또한 다양한 시편의 오염물을 떼어낼 수 있도록 장비의 범용성을 개선한 최종 프로토타입을 제작하고, 인증을 거쳐 제품 생산을 시작할 예정이다. 그동안 장비 최적화에 대한 노하우가 충분히 쌓였기 때문에 올해 안에 가능할 것으로 보고 있다. ㈜제이하라의 플라즈마 클리너가 상용화되면 외산보다 뛰어난 성능의 제품을 70% 가격으로 공급하는 것이 가능하다. 국내 연구기관과 대학교는 물론 세계 시장에서도 충분히 상품성을 인정받을 수 있을 것으로 기대된다.