IE 매거진 - 2009년 겨울호.

.. 최근 나노에 대한 관심이 증폭되면서 이와 함께 나노기술에 대한 관심도 높아지고 있다. MIT에서는 “Technology Review” 지를 통해 10대 유망기술을 선정하여 발표하고 있는데, 전 세계적으로 연구를 하고 있는 첨단기술 중에서 5년 이후 제품화가 가능한 산업기술을 주로 그 대상으로 삼고 있다. 그 중에 중요한 상품화 기술 중의 하나가 바로 나노기술로 미국의 경우 2009년 국가나노기술전략의 나노기술 연구개발비로 15억 2,700만 달러를 책정하였는데, 이는 2008년도 추정액인 14억 912만 달러보다 2.4% 증가한 금액이다.
일본의 경우는 미국 정부의 국가나노기술전략(NNI)의 영향을 받아 본격화되기 시작하였는데, 미국보다는 늦었지만, 최근에는 보다 강화된 모습을 보이고 있다. 특히 다른 나라와의 차이로 주목해 볼만한 것은 일본 산업계의 적극적인 태도를 꼽을 수 있다. 일본 산업계는 국가나노기술전략(NNI) 발표 이후 나노기술에 대한 산업계 입장을 정리하여 발표하는가 하면, 나노기술 전문부회를 설치하여 나노기술에 대한 산업계의 의견을 적극적으로 발표하고, 그에 맞는 사항을 연구하고 있다. 또한 나노기술예산이 2006년(413억 1,000만엔)엔 2005년(412억 2,000만엔)보다 0.7% 증액된 금액을 책정하였다. 우리나라에서도 IT, BT, NT 등 신기술에 기반한 융합산업을 다음 세대의 성장엔진으로 선택하고 이를 육성하기 위한 노력을 시작하고 있다. 나노기술의 경우 세계적으로도 아직 산업이 성숙되지 않은 단계이므로 보다 창조적인 기술혁신을 바탕으로 우리나라가 선도하는 분야가 될 가능성이 높다. 이처럼 많은 나라들이 나노기술의 중요성을 인식하고 나노기술분야에 대한 예산을 전폭적으로 지원하는 모습을 보이고 있지만 나노기술에서의 품질 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 방안에 대해서는 아직까지 초보단계 수준에 머물러 있는 형편이다.
.. 최근 신뢰성에 연구는 매크로(macro)와 마이크로(micro) 크기의 제품 모두의 제조공학에서 매우 중요한 역할을 하고 있으며, 추후 10년내 신뢰성에 대한 연구는 더욱 복잡해지는 공학기술과 더불어 제품 디자인에 깊이 연관될 뿐 아니라 신제품의 개발 가속화 경향등 빠르게 변하는 산업 환경으로 인해 나노제조(nano-fabrication) 분야에서 더욱 중요한 역할을 할 것으로 예측된다. 표준화된 신뢰성 분석방법은 나노-디바이스의 효율적인 생산에 필수적임에도 불구하고 나노기술 분야에서는 나노사이즈의 제품에 적합한 신뢰성 이슈에 대한 결과가 현재 결여되어 있는 실정이다. 사실 최근의 신뢰성 이론과 방법론들은 부분적으로만 나노미터 크기의 시스템 기능에 응용될 수 있기 때문에 기초 물리학적 원칙들은 양자(quantum) 수준에서 재고되어야 한다. 예를 들면, 매크로 크기의 물질에 기초한 규칙 중 전도성(conductivity) 과 같은, 분자수준에서는 맞지 않는 일반적인 물리적 특성이 있다. 따라서 신뢰성 연구에 필요한 측정기준 - 재료의 열화(degradation), 피로(fatigue)와 기본적인 고장메커니즘은 나노미터 크기에서 새로운 의미를 갖게 되었다. 2005년 National Academies에서 발행한 Keck Future Initiative에 실린 “designing nano -structures at the interface between biomedical and physical systems”에서 신뢰성과 수율(yield)은 나노제조(nano-fabrication)와 나노생산(nano-manufacturing)에서 주요한 요소로서 언급되고 있다. 비록 연구자들이 일반적인 신뢰성 문제를 해결하기 위해서 많은 연구를 진행하고 있지만 nano-electronics에 귀속되는 진보된 신뢰성에 대한 연구는 현재 많이 행하여지고 있지 않다.
.. 신뢰성에 대한 평가와 향상에서 가장 중요한 첫 번째 과정은 나노-디바이스의 고장 메커니즘을 식별하고 고장상태와 관련된 데이터를 수집하는 방법을 발전시키는 것이다. 현재 새로운 정밀한 분석도구(e.g., 초음파 스캐너(ultrasonic scanners), 투과전자 현미경(transmission electron microscopes), atomic force microscopes, scanning probe microscopes)을 사용하여 연구자들은 신뢰성 연구를 진행하는데 있어 더 많은 부수적인 데이터를 확보할 수 있게 되었다.
.. 한편으로, 나노과학의 발전여부는 공학, 화학, 물리, 재료과학을 연구하는 연구자의 노력여하에 달려있다고 해도 과언이 아니다. 조만간 생물학과 의과학도 drug delivery, 단백질 공학과 바이오센서와 같은 생물의학의 응용에 커다란 기여를 하리라 예상된다. 하지만 나노기술을 지속적으로 발전시켜 나가기 위해서는 반드시 신뢰성공학이나 통계학 같은 응용분야도 함께 빠르게 성장하여야만 한다. 신뢰성 문제를 무시하고 마이크로시스템을 개발했던 과거의 경험은 제품의 수명주기 동안 불필요하게 높은 비용을 초래하였음을 여실히 보여주고 있으며, 이러한 현상은 미래의 나노시스템 제조에서는 더욱 심화될 것이다. 현재 수학 및 통계분야에서 나노기술과 관련된 연구는 거의 행하여지고 있지 않기 때문에, 나노제조 공정이나 나노제품의 신뢰성 및 품질에 대한 최신의(state-of-the-art) 통계적 모형이 제시될 수 있어야만 한다. 이러한 연구 테두리 안에서 실험계획법, robust estimation이나 통계적 예측 방법 등의 필요성을 파악, 나노제품에 적용시킴으로써 제품개발기간을 단축시킬 수 있을 것으로 기대하고 있다. 예를 들면 지난 2009년 2월 삼성전자는 46나노 공정기술을 적용한 16기가비트급 낸드플래시메모리 개발에 성공했다고 발표하였다. 하지만 이에 대한 시장성 및 경제성을 확보하기 위해서는 충분한 수율을 단시일에 확보하여야 하며, 이에 앞서 정확한 수율예측 방법이 선행되어야만 한다. 수율(yield)의 예측은 초박막 반도체 장치의 생산성 평가와 높은 순익을 확보하기 위한 비용을 측정하는데 있어 결정적인 요소이며, 또한 초기수율은 신뢰성과도 깊은 연관성을 가지고 있다.
.. 한편으로 나노디바이스의 신뢰성을 평가하기 위하여 새로운 개념의 신뢰성 및 통계이론을 필요로 하고 있다. 예를 들면 공간에서의 나노크기의 결점들이 분포하는 형상을 모형화하고 이를 통해 나노디바이스의 신뢰성을 예측하는 방법 등 기존의 신뢰성 이론과는 다른 접근방법을 통해 신뢰성을 예측할 수 있다. 또한 나노디바이스의 경우 직접적으로 수명을 측정하기 힘든 까닭으로 수명시험보다는 대용특성의 열화시험을 통해 수명을 예측하는 방법 등을 산업계에서는 많이 사용하고 있다. 열화시험이란 제품의 고장시간을 측정하는 대신, 시간에 따른 성능의 감소현상을 관측하여 그 관측값들로부터 미리 정해놓은 성능 값 이하로 떨어지는 시간을 고장시간으로 추정하여 제품의 수명을 예측하는 방법이다. 최근에는 실제 사용조건보다 가혹한 조건(높은 온도, 전압, 습도 등)에서 열화데이터를 관측하여 단시간에 충분한 데이터를 확보한 뒤, 스트레스-조건 관계를 이용하여 실제 사용조건에서의 고장시간을 추정하는 가속열화시험을 많이 연구중에 있다. 일례로 그림 1은 새로운 디스플레이 디바이스로 각광받고 있는 유기발광다이오드(AM-OLED·Organic Light-Emitting Diode)의 가속열화시험 결과를 보여주고 있다. 이 때 열화 메커니즘의 규명을 통한 정확한 열화모형의 설정과 스트레스-조건 관계를 유도하는 것이 중요한 과제이나, 나노 디바이스에서는 기존의 열화모형과 스트레스-조건 관계가 명확히 규명되지 않았기 때문에 이러한 방법론을 적용하기가 힘든 상황이다. 따라서 발전된 데이터마이닝 기법 및 데이터 처리기법을 기반으로 나노수준에서의 입자의 움직임을 확률적, 통계적으로 모형화하고 이를 통해 시간에 따른 입자의 변화를 모형화할 수 있는 새로운 시뮬레이션 기법의 개발도 산업공학 분야에서 도전해 볼 가치가 있는 연구라고 제안하고 싶다.

<그림 1> 유기발광다이오드의 가속열화시험 사례

> 참고문헌

1. Korea Institute of science & technology information 2008년 2월 29일 제 265호