본 연구진은 현재 세계 최고 수준의 가장 높은 공간 정밀도(온도-50 nm, 열전도도-150nm)로 온도와 열전도도를 정량적으로 계측 할 수 있는 고성능 주사탐침열현미경 탐침과 정량적 계측 기법인 이중주사기법을 개발하였다. 본 페이지에서는 이중주사기법에 대해 설명한다.

주사탐침열현미경 (scanning thermal microscope : SThM) 은 위의 그림에 나타나 있듯이 탐침의 첨단에 장착된 열센서로 시편과 접촉된 상태에서 시편과 탐침사이의 열전달을 활용하여 가장 높은 공간 정밀도로 국소 온도 및 열물리량을 계측 할 수 있는 장치로 잘 알려져 있다. 하지만, 공기를 통한 많은 열전달 영향 때문에 높은 공간 정밀도에도 불구하고 정량적 계측이 어려워 그 활용에 많은 제한이 따르고 있다.

본 연구진은 SThM 을 활용하여 온도 및 열전도도 분포를 정량적으로 계측할 수 있는 새로운 계측 기법인 이중주사기법을 개발하였다. 이중주사기법은 탐침과 시편이 접촉된 상태에서 계측된 신호와 비접촉 상태에서 계측된 신호의 차이로부터 공기를 통한 연전달의 영향이 제거하여 오직 팁-샘플 (tip-sample) 접촉을 통한 열전달에 의해 온도 및 열전도도를 정량적으로 계측할 수 있게 해준다. 개발된 이중주사기법은 다음과 같이 온도와 열전도도를 계측하기 위해 각각 수동 모드와 능동 모드로 사용된다.

온도는 물질에 상관없는 열역학적 상태량이기 때문에 SThM 탐침을 단순히 센서로만 활용하는 수동 모드로 계측된다. 하지만, 열전도도는 외부의 열적 자극에 의한 물질 고유의 열역학적 응답이기 때문에 SThM 탐침을 가열기 이자 동시에 온도 센서로 활용하는 능동 모드로 계측된다.

수동 모드를 활용한 온도 계측은 정량적 계측과 공간 정밀도를 분석하기 위해 열저항계수 (temperature coefficient of resistance, TCR) 을 활용하여 온도를 알 수 있는 금속선을 사용되었다. 폭이 5 m 인 알루미늄 선을 활용하여 제시된 정량적 계측 기법을 실험적으로 입증하였고, 폭이 300 nm 인 금선을 활용하여 100 nm 이하의 영역에서 높은 공간 정밀도로 온도 분포가 정확하게 정량적으로 계측 된다는 것을 실험적으로 입증하였다.

능동 모드를 활용한 열전도도 계측 기법은 열물성이 잘 알려진 실리콘, 파이렉스 글라스, 그리고 사파이어 글라스를 활용하여 실험적으로 증명하였다. 공간 정밀도를 분석하기 위해 실리콘 사이에 실리콘 산화막이 삽입된 시편을 활용하였다. 삽입된 산화막의 폭이 200 nm 인 시편을 활용한 계측에서 열절도도가 정량적으로 계측 되었고 이 결과로부터 정량적 계측이 가능한 공간 해상도가 150 nm 에 이르는 것을 알 수 있다.

이렇게 개발된 이중주사기법은 현재 다양한 분야의 활용을 모색하고 있다. 현재 본 연구진은 나노 전자 소자(CPU, RAM 등)와 나노 발광 소자(LED) 등에서 필연적으로 발생되는 국소 열문제를 해결하기 위해 활용하고 있다. 향후 나노 바이오(Nano-bio), 나노 리소그래피(Nano-lithography-나노스케일 형상화 기술), 탐침 저장 장치(probe data storage-4 Tbit/in2 의 고용량 저장 장치) 등의 다양한 분야에 활용하려고 한다.