반도체 칩의 소자(전자 신호 부품) 안에 빠르고 불규칙적인 움직임을 관측할 수 있는 초고속 카메라 기술이 개발됐다. 한국연구재단은 한국과학기술원(KAIST) 김정원 교수 연구팀이 반도체 소자 안의 복잡한 3차원 미세 구조와 움직임을 고해상도로 측정할 수 있는 초고속 카메라 기술을 개발했다고 26일 밝혔다.
새로운 마이크로⋅나노 소자 기술이 개발되면서, 소자 내부의 움직임을 보다 정확하고, 정밀하게 측정할 수 있는 기술 개발의 필요성이 커졌다. 소자 내부를 정확히 봐야 소자의 물리 현상을 이해하는 데 도움이 되고, 이는 나아가 반도체 응용 기술 개발에도 도움이 될 것으로 기대된다.
김정원 교수팀은 100펨토초(10조분의 1초) 빛 펄스를 1000개 이상의 색으로 쪼갠 후, 각기 다른 색을 가진 펄스들을 이용해 서로 다른 공간에서 높낮이를 측정했다. 이 기술은 초당 2.6억 개 픽셀의 높낮이 차이를 330피코미터(30억분의 1미터) 수준까지 측정할 수 있다.
연구팀은 이런 초고속 카메라 기술로 반도체 및 3D 프린팅 공정을 실시간으로 모니터링하며 제어할 수 있어, 공정 수율을 높일 것으로 기대했다. 연구팀은 이번 연구에서는 1차원 선 모양의 빛을 스캔해 움직이는 방식으로 2차원 표면의 높낮이를 측정했지만, 앞으로 2차원 표면의 높낮이를 스캔 없이 한 번에 측정하는 방식을 연구하고 있다.
김 교수는 "새로운 초고속 카메라 기술은 최대 수백 m/s의 초고속 움직임을 포착할 수 있어, 다양한 진폭에 순간 속도가 매우 빠른 미세 구조의 움직임을 포착할 수 있다"라며 "이에 따라 기존에 관찰하지 못했던 복잡한 물리 현상을 탐구하는 차세대 계측 기술로 발전할 것"이라고 말했다. 음파의 공기 중 속도는 343 m/s다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터 및 중견연구 사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 광학 분야 국제학술지 '빛: 과학과 응용'에 이달 15일 게재됐다. 김 교수는 미국 매사추세츠공과대학(MIT)에서 전기공학 및 컴퓨터과학으로 박사 학위를 받았으며, 독일 막스플랑크 양자광학연구소(MPQ) 방문연구원을 역임했다. 지난 2018년 한국광학회 해림광자공학상, 지난 2020년 과학기술정보통신부 이달의과학기술인상을 수상했다.