원자층 증착(ALD)으로 초흑 코팅을 만들어 우주 관측에 최적화

상하이 과학기술대학과 중국 과학원 연구원들은 새로운 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD) 방식을 성공적으로 적용해 울퉁불퉁한 표면에 초흑 코팅을 입히는 중대한 이정표를 달성했습니다. 업그레이드된 코팅은 이전 버전보다 더 견고하고 효과적입니다. 따라서 이 개발은 광학, 우주 탐사, 재생 에너지 등 다양한 산업에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 알아야 할 내용은 다음과 같습니다.

연구진은 그들의 발견을 발표하고, 항공우주 등급 마그네슘 합금에 특화된 내구성 초흑 박막 코팅을 어떻게 제작했는지 상세히 설명했습니다. 이러한 합금은 무게와 내구성이 중요한 우주 탐사에 흔히 사용됩니다.

출처 – Photonexpert – 원자층 증착(ALD) 발명가 Dr. Tuomo Suntola

첨단 장치와 광학을 제작하는 과정에 익숙하지 않은 사람들은 반사되지 않는 검은 재료를 찾는 것이 얼마나 중요한지 이해하지 못할 수 있습니다. 특히, 잡광은 이러한 장치에 방해가 되고 품질을 크게 저하시킵니다. 따라서 가장 검은 비반사 재료를 찾기 위한 지속적인 개선이 이루어져 왔습니다.

These coatings will help to advance aerospace technologies where new material combinations can create stronger materials. These lightweight materials are found on many satellites, spacecraft, and suits. They are also commonly used in the aeronautical sector due to their resilience and proven durability.

가장 검은 검정색을 찾으며

정밀 광학 기술이 지속적으로 발전함에 따라 더 많은 빛을 흡수하는 소재에 대한 수요가 늘어나고 있습니다. 최근까지는 얇은 검은 필름을 사용해 카메라 렌즈 및 기타 곡면이나 특이한 형태의 장치 내부에 빛을 흡수하는 비반사 재료를 만들었습니다. ALD 코팅은 보다 쉽게 적용할 수 있고 극한 환경에도 견디는 더 나은 솔루션을 제공합니다. 이 공정은 초박층이며 균일한 코팅을 생성해 어느 부분도 남기지 않습니다.

현재 코팅 재료 및 방법의 문제점

기존의 초흑 코팅 기술이 오늘날의 고급 광학 및 전자 장치에 충분하지 않은 이유는 많습니다. 현재 가장 많이 사용되는 코팅 기술은 수직 정렬 탄소 나노튜브나 블랙 실리콘과 같은 취약한 재료를 사용합니다. 이러한 재료는 가혹한 환경을 견디지 못하고 빠르게 열화됩니다. 또한 비용이 많이 들고 제작이 어렵습니다.

게다가 이러한 코팅을 복잡한 구조에 적용하기가 어렵습니다. 고르지 않은 적용은 내구성을 떨어뜨리고 성능을 저하시키므로, 연구자들은 더 흡수성이 높은 대안을 만들기 위해 노력하고 있습니다. 렌즈와 기타 광학 장치가 점점 복잡해짐에 따라 비반사 빛 흡수 재료를 균일하게 적용하는 더 나은 방법을 연구하고 개발하는 것이 중요해졌습니다.

원자층 증착(ALD) 등장

원자층 증착(ALD)은 제조업체와 연구자들이 코팅과 관련해 직면하는 주요 문제들을 해결하는 데 도움을 줍니다. 이 공정은 가스가 주입되어 표면에 얇은 층을 형성하는 진공 밀폐실을 이용합니다. 이 방식을 필름 성장이라고 하며, 제조업체가 층을 이용해 복잡한 소재를 손쉽게 만들 수 있게 합니다.

ALD 방법은 테스트에서 이 초흑 재료가 99.3%의 빛을 흡수한다는 인상적인 결과를 보여주었습니다. 이러한 개선은 보다 균일한 필름 커버리지와 새로운 빛 흡수 재료 사용 덕분입니다. 구체적으로, 연구진은 내구성을 향상시키기 위해 두 겹의 층을 사용하는 새로운 방식을 도입했습니다.

기본 층은 티타늄‑알루미늄‑탄소 복합재(TiAlC)를 사용합니다. 이 조합은 초경량 흡수 특성을 가지고 있으며, 우주를 포함한 가혹한 환경에서도 견딜 수 있습니다. 두 번째 층은 유전체 재료인 실리콘 질화물(SiO2)으로, 반사를 방지하는 데 이상적입니다. 이 두 층이 결합되어 다양한 파장대에서 99.3%의 빛을 흡수합니다.

ALD의 역사

ALD를 이용해 얇은 코팅을 적용하는 아이디어는 60년 이상 전부터 존재해 왔습니다. 흥미롭게도 두 명의 발명가가 이 기술의 발견을 주장했습니다. 이들 독립적인 시도는 서로 다른 방식으로 진행됐지만 동일한 결과, 즉 원자 수준의 얇은 코팅 층을 얻었습니다.

1960년대에 소련 연구원들은 분자층화(molecular layering)라는 공정을 이용해 이 작업을 수행했습니다. 제2차 세계대전 종전 후 정치적 분위기가 긴장돼 있었기 때문에 서방에서는 이 발견이 즉시 인정되지 않았습니다. 그러나 많은 연구자들은 초기부터 이 기술이 차세대 장치에 핵심적인 역할을 할 것임을 깨달았습니다.

10년 후, Dr. Tuomo Suntola가 이끄는 핀란드 연구팀은 원자층 에피택시(atom layer epitaxy)라는 새로운 방식을 성공적으로 사용해 장치에 얇고 균일한 빛 흡수 재료 코팅을 제공했습니다. 이 방법은 제조업체들 사이에서 즉시 인기를 끌었고, 핀란드는 수십 년 동안 ALD 개발의 중심지로 부상했습니다.

그 이후로 ALD 과학은 광전지, 촉매, 반도체 제조 등 다양한 분야에서 혁신을 이루며 계속 확장되었습니다. 오늘날 우리는 이 기술에 둘러싸인 세상에 살고 있습니다. 스마트폰부터 가정에 전력을 공급하는 태양광 패널까지, ALD 공정은 수십억 사람들의 삶을 향상시켰습니다.

놀랍게도 최신 공정은 복잡한 3D 물체에도 원자 수준의 정밀도로 균일하고 등축성(Conformal)인 필름을 증착할 수 있게 되었습니다. ALD는 한 원자 두께에 이를 정도로 초박층 코팅을 제공합니다. 특히 이 코팅은 너무 얇아 2차원으로 간주될 수 있습니다.

ALD 활용 분야

오늘날 ALD 제조 공정은 시장에서 핵심적인 역할을 합니다. 이러한 얇은 층은 원치 않는 에너지로부터 물품을 보호하는 강력하고 효과적인 방법을 제공합니다. 다음은 ALD가 미래에 여러분의 삶을 향상시킬 수 있는 가장 흥미로운 활용 사례들입니다.

태양전지

연구자들은 ALD 기술을 활용해 새로운 소재와 구조를 실험함으로써 광전지 분야에서 큰 진전을 이루었습니다. 현재 태양광 패널은 효율이 낮아, 최고의 제품조차 평균 30% 정도의 에너지 변환 효율을 보입니다. 이 에너지의 대부분은 열로 손실되거나 셀 표면에서 대기 중으로 반사됩니다.

ALD 태양광 패널은 더 많은 빛을 포착하고 누수를 방지할 수 있습니다. 또한, 다른 행성에서도 수년간 우주 탐사 장치를 구동해야 하는 등 가장 가혹한 환경을 견디도록 제작될 수 있습니다. 따라서 많은 이들은 ALD 태양전지가 차세대 달 로버 및 기타 우주 프로젝트에 전력을 공급할 핵심이 될 것이라고 믿고 있습니다.

리튬 배터리

리튬 이온 배터리(LIB) 기술은 높은 에너지 밀도와 낮은 자체 방전을 제공하는 배터리를 구현합니다. 이러한 배터리는 전해질과 양극 사이에서 일어나는 화학 반응에 의존합니다. 안타깝게도 현재의 고체 전해질 계면(SEI)은 이온의 일정 비율을 영구적으로 소모해 비효율적입니다.

ALD를 이용해 전자층을 코팅하면 성능 손실을 방지하고 시간이 지남에 따라 발생하는 열화를 감소시킬 수 있습니다. ALD 공정은 얇고 원자 수준에서 표면에 구멍 없이 균일하게 적용될 수 있기 때문에 이러한 작업을 수행할 수 있습니다. 이 코팅은 원자 수준에서 원치 않는 교차 오염을 방지합니다.

마이크로칩

마이크로칩 기술은 더 진보된 전자를 작고 신뢰성 있게 만들어 세상을 지속적으로 혁신하고 있습니다. 현재의 마이크로칩은 이전 세대보다 수광년 앞서 있지만 여전히 여러 측면에서 부족합니다. 예를 들어, 에너지 소모가 매우 커서 모든 스마트 기기의 에너지 사용량이 크게 증가합니다.

에너지 지속 가능성의 중요성을 인식한 미국 에너지부(DOE)는 Argonne 국립 연구소에 차세대 ALD 칩 연구를 위해 400만 달러를 지원했습니다. 이 프로젝트의 목표는 마이크로칩의 에너지 요구량을 최대 50배까지 줄일 수 있는 새로운 소재를 찾는 것입니다. 성공한다면 전체 시장이 혜택을 받을 수 있습니다.

이 접근법의 일부는 “von Neumann 병목 현상“을 해결하려는 것으로, 이는 컴퓨터가 논리 칩과 메모리 칩 사이에 데이터를 이동하는 데 사용하는 막대한 에너지를 의미합니다. Argonne은 ALD를 활용해 에너지 소비를 과도하게 줄이는 저전력 대안을 만들고자 합니다.

우주

우주 탐사는 지난 10년간 ALD가 중요한 역할을 해온 분야 중 하나입니다. 우주 연구는 지구와는 전혀 다른 가혹한 환경을 견딜 수 있는 장치를 필요로 합니다. 위성은 한쪽 면에서 +500°F(섭씨 약 260도)의 온도를 견디는 반면, 반대쪽은 영하의 온도에서 얼어붙을 수 있습니다.

이러한 극한 온도와 조건은 광학 장치와 전자 기기에 큰 피해를 줄 수 있습니다. ALD는 이러한 문제에 대한 최적의 해결책을 제공합니다. 또한 연구자들은 빛 흡수 능력을 지속적으로 확장하고 있습니다. 현재의 우주 광학은 자외선 및 적외선을 흡수해 빛이 차단된 환경을 제공하는 소재에 의존합니다.

ALD 시장 선도 기업

ALD 시장은 전자 제조업체와 연구자들의 증가하는 수요를 충족하기 위해 계속 확장되고 있습니다. 이러한 ALD 공급업체들은 강력한 전략적 파트너십을 확보했으며 신뢰할 수 있는 서비스를 제공하고 있습니다. 다음은 오늘날 혁신을 주도하는 주요 ALD 공급업체 몇 곳입니다.

1. Argonne

ANL 가격 차트

Argonne은 첨단 제조업체, 정부 및 기타 연구자들과 협력해 고급 코팅 옵션을 개발하는 유명 연구소입니다. 이 기관은 1940년대 맨해튼 프로젝트의 파생 조직으로 시작되었습니다. 당시 원자력은 미래로 여겨졌습니다.

그 이후 Argonne은 다학제 과학 및 공학 연구 센터로 성장했지만 여전히 에너지 지속 가능성에 주력하고 있습니다. 시카고 도심에 위치한 이 그룹은 다양한 산업에 접근하여 에너지 물리학 및 재료 과학 시장에서 창의성을 촉진합니다.

2. Beneq

(Private)

1984년, Beneq는 ALD 방식을 자체 공정에 통합한 세계 최초의 산업 생산 라인이 되었습니다. 이 핀란드의 사유 기업은 ALD가 탄생한 이후 시장을 선도해 왔습니다. 현재는 기업에 고급 ALD 장비를 제공하며 반도체 제조 공정을 전문으로 합니다.

Beneq는 ALD 분야에서 여전히 선구적인 존재이며, 이 목록에서 가장 오래된 이름 중 하나로 인정받고 있습니다. 이 그룹은 새로운 혁신적인 코팅 솔루션을 지속적으로 제공하고 있습니다. 따라서 많은 이들이 이를 시장 선두주자로 평가합니다.

3. CVD Equipment

CVV 가격 차트

CVD Equipment (CVV ) 는 또 다른 신뢰받는 ALD 공급업체입니다. 이 그룹은 정밀하고 신뢰할 수 있는 화학 기상 증착(CVD) 및 열 공정 장비를 시장에 제공하는 명성을 얻었습니다. 현재 CVD는 자동차 및 항공우주 분야를 포함한 다양한 산업에 서비스를 제공하고 있습니다.

CVD는 40년 이상 서비스를 제공해 왔으며, 이러한 경험을 바탕으로 시장에서 선구적인 위치를 차지했습니다. 또한 회사는 프로세스를 개선하고 최적화하여 성능을 극대화할 수 있게 되었습니다.

4. Applied Materials

AMAT 가격 차트

Applied Materials (AMAT ) 는 2020년에 Picosun을 인수한 후 ALD 시장의 주요 기업으로 부상했습니다. 당시 Picosun은 업계에서 가장 활발한 ALD 공급업체 중 하나였습니다. Applied Materials는 그들의 경험과 네트워크를 활용해 초박층을 적용하는 새로운 방법과 전략을 혁신했습니다.

현재 Applied Materials는 기업 수준 고객에게 ALD 서비스를 제공하고 있습니다. 이 서비스에는 턴키 생산 라인과 연구 제공이 포함됩니다. 또한 기업은 Applied Materials의 컨설팅을 활용해 ALD 서비스의 구축 및 통합을 효율화할 수 있습니다.

인공지능이 ALD를 개선하다

ALD가 최근 몇 년간 개선된 이유 중 하나는 AI 알고리즘의 통합입니다. 구체적으로, 머신러닝 알고리즘을 통해 개발자는 새로운 화합물을 가상으로 생성하고 시험할 수 있습니다. 이 기능은 연구개발 비용을 크게 낮추고, 특수 장비 없이도 특정 소재의 상호 작용을 확인할 수 있게 합니다.

머신러닝 알고리즘은 수백만 번의 실험을 수행해 잠재적인 약점이나 임계값을 찾을 수 있습니다. 이러한 형태의 AI는 매우 효율적이며 한 번만 학습하면 작업을 최적화하여 수행합니다. 또한, 학습된 신경망은 AI가 스스로 새로운 소재를 추천하고 테스트 및 개발을 진행하도록 할 수 있습니다.

AI 시뮬레이션은 여러 면에서 게임 체인저입니다. 첫째, 이러한 테스트를 통해 실제 물품을 손상시키지 않고도 제작물을 극한까지 시험할 수 있습니다. 개발자는 제조 방법에 자금을 투입하기 전에 모든 것을 가상으로 설계, 테스트 및 재조정할 수 있습니다. 이렇게 AI는 미래에 새로운 수준의 내구성과 적용 방식을 열어줄 열쇠가 될 수 있습니다.

ALD 시장 확장

ALD 시장은 성장세를 보이고 있으며, 2023년 ALD 장비 판매로 44억 6천만 달러 이상의 매출이 발생했다는 보고가 있습니다. 같은 데이터는 향후 큰 성장 잠재력을 보여주며, 미국 시장만 해도 향후 10년간 연평균 성장률(CAGR) 8.90%가 예상됩니다.

보고서는 전자 기기의 지속적인 소형화와 제조 공정 개선이 수요 증가의 원인이라고도 밝혔습니다. 최신 공정은 품질을 향상시키고 적용 비용을 낮춥니다. 또한, 태양광 패널에 대한 수요 증가가 ALD 확장의 또 다른 촉진 요인으로 작용하고 있음을 보여줍니다.

항상 더 검게 만들 수 있다

가장 검은 재료를 만드는 과학은 계속 진화하며 과학 분야 전반에 혁신을 촉진할 것입니다. 고급 광학 장치부터 우주 탐사, 태양광 포획에 이르기까지, ALD 기술은 혁신의 최전선에 있습니다. 이러한 이유로 앞으로 몇 달 동안 이 기업들을 주시하는 것이 현명합니다.

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