빛의 파동적 성질 ② {빛의 굴절과 포토 리소그래피}

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[물리학] 빛의 파동적 성질.hwpx

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성취 기준

빛의 굴절을 이용하여 볼록 렌즈에서 상이 맺히는 과정을 설명하고, 반도체와 디스플레이 제작 공정에서 중요하게 활용됨을 인식할 수 있다.

물리학 전개도

 

판서 조직도

 

지구 바깥의 우주, 신이 사는 완벽하고 무결한 세계로 여겨지던 천상 세계가 사실은 지상과 크게 다르지 않음을 처음 보여 준 것은 갈릴레오의 망원경이었습니다. 망원경의 원리를 이해함으로써 지상에서 우주로 시야를 넓힌 인류가 무엇을 함께 넓혀 왔는지도 생각해 보는 시간입니다.

 

3. 빛의 굴절

 

매끄러운 회색 지면을 굴러가던 바퀴가 거친 초록색 지면에 비스듬하게 들어가면서 진행 방향이 꺾이는 이유는 무엇일까요? 이는 왼쪽 바퀴가 거친 초록색 지면에 진입한 이후 느리게 이동하는 동안 오른쪽 바퀴는 여전히 매끄러운 회색 지면을 빠르게 이동하기 때문입니다. 즉 바퀴의 속력 차이에 의해 진행 방향이 꺾이는 거예요. 파동 역시 서로 다른 두 매질의 경계면을 비스듬히 지나면 속력이 변하여 진행 방향이 꺾입니다. 이러한 현상을 파동의 굴절이라고 해요.

 

 

빛 역시 전파하는 도중 매질이 달라지면 굴절을 합니다. 이로 인해 과학자들은 빛을 파동의 한 종류라고 설명했어요.

 

1) 볼록 렌즈에 의한 물체의 상

렌즈는 빛의 굴절 현상을 이용해 빛의 진행 방향을 조절하는 장치입니다. 이 렌즈를 이용해 멀리 있는 천체의 모습을 우리 눈앞에 맺히게 하는 것이 망원경이에요. 이제 이러한 원리를 이해하기 위해 볼록 렌즈에 의해 물체의 상이 어떻게 만들어지는지 살펴보겠습니다.

 

 

렌즈에 입사하는 광선이 굴절하여 렌즈의 맞은편에 위치한 한 점으로 모이게 되는데 이 점을 초점이라 합니다. 볼록 렌즈에 평행하게 입사한 빛은 초점을 향해 모입니다. 

 

작도 규칙

• 평행하게 입사한 광선은 렌즈를 지나 초점을 향해 나아간다.
• 초점을 지나는 광선은 렌즈를 지나 축과 평행하게 나아간다.
• 렌즈의 중심을 지나는 광선은 쭉 직진한다.

 

① 초점 바깥쪽의 물체

② 초점 위에 있는 물체

③ 초점 안쪽의 물체

 

이 경우에는 렌즈를 지나는 각 광선들이 서로 만나지 않고 발산합니다. 따라서 상이 맺어질 수 없는 구조예요. 그러나 분명히 물체의 상은 인식되거든요. 이때 인식되는 상은 굴절 광선이 지나가는 방향의 맞은편으로 연장한 점선들이 수렴하는 위치에 맺어집니다. 

 

연장선을 점선으로 그린 이유는 점선은 빛이 실제로 지나는 선이 아니기 때문에 실선과 구별하기 위함입니다. 이때 연장선이 만나 맺어진 상을 허상이라고 합니다. 반대로 빛이 실제로 지나는 실선이 만나 맺어진 상을 실상이라고 합니다. 

 

렌즈 공식

 

 

a = 렌즈 중심에서 물체까지의 거리,  b = 렌즈 중심에서 상까지의 거리,  f = 렌츠 초점 거리

 

b가 양수 값이 나오면 물체의 상은 실상이고, 음수 값이 나오면 물체의 상은 허상입니다.

 

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렌즈로 빛을 굴절시켜 우주를 바라보게 되었던 인류는, 이제 빛을 이용해 규소라는 돌을 깎아 반도체를 만드는 기술을 개발했습니다. 빛을 이용해 인류의 우주관을 넓혔던 것처럼, 빛을 이용해 기술의 세계를 확장한 현대 공학, 포토 리소그래피에 대해 알아볼게요.

 

2) 포토 리소그래피

 

빛은 카메라의 필름 위에 장면을 남기듯, 반도체 위에도 회로를 남깁니다. 이러한 원리를 이용해 빛을 굴절시켜 회로 패턴을 새겨 넣는 기술을 포토 리소그래피(photo lithography), 즉 포토 공정이라고 합니다. 반도체 칩이나 디스플레이 패널에 형성되는 회로는 크기가 매우 작아 기계적인 가공만으로는 구현에 한계가 있으므로, 정밀한 광학 기술을 이용해 제작하는데요. 다음과 같은 과정을 거칩니다.

 

① 기판 준비 및 산화

 

미세한 공정을 다루는 반도체 제조과정에서는 아주 작은 불순물도 집적회로의 전기적 특성에 치명적인 영향을 미치는데요. 이를 막기 위한 보호막으로써 산화막을 웨이퍼 위에 덮어줍니다.

 

② 감광액 도포 (Photo Resist coating)

 

웨이퍼 표면에 빛에 민감한 물질인 감광액(PR, Photo Resist)을 골고루 바르는 작업인데요. 이 작업이 사진을 현상하는 것과 같이 웨이퍼를 인화지로 만들어줍니다.

 

③ 볼록 렌즈를 이용한 노광

 

마스크는 회로의 설계도로써, 사진의 원판과 같은 역할을 합니다. 실제 반도체 회로보다 크게 제작되기 때문에, 이를 축소하기 위해 볼록 렌즈가 사용됩니다. 볼록 렌즈는 마스크에 있는 큰 회로 패턴을 축소하여 웨이퍼 위에 선명한 실상으로 맺히게 합니다.

 

④ 현상

 

일반 사진을 현상하는 과정과 동일합니다. 웨이퍼에 현상액을 뿌려 가며 노광된 영역과 노광되지 않은 영역을 선택적으로 제거해 회로 패턴을 형성합니다.

 

⑤ 식각 (etching)

 

판화에서 산으로 금속을 깎아 이미지를 만드는 에칭 기법처럼, 반도체의 식각 공정도 화학 반응을 이용해 필요 없는 부분만 선택적으로 제거하여 회로 패턴을 만듭니다. 포토 공정에서 남겨 둔 감광액을 보호막으로 삼고, 드러난 영역만 액체 또는 기체의 식각 물질로 깎아 냅니다. 식각이 끝나면 감광액도 제거해요. 이러한 과정을 반복하여 반도체를 이루는 여러 층의 얇은 막마다 원하는 회로 패턴을 형성합니다.

 

요약하자면 포토 리소그래피는 빛과 볼록 렌즈로 회로를 축소 투영해 찍어내는 초정밀 인쇄 기술이에요.

 

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포토 리소그래피로 만들어지는 반도체는 오늘날 인공지능의 두뇌 역할을 합니다. 때로는 인공지능이 인간을 대신할 것이라는 두려움이 이야기돼요. 그러나 망원경이 보여주는 것을 지동설의 근거로 해석하고 세상의 통념에 맞섰던 것은 갈릴레오의 인간지능이었어요. 인공지능이 아무리 많은 계산과 패턴을 제시하더라도, 그것에 의미를 부여하고 방향을 결정하는 일은 여전히 인간지능에 달려 있습니다.

 

TICK TOCK - 김하온

https://www.youtube.com/watch?v=0sxLgAVPWVs&list=RD0sxLgAVPWVs&start_radio=1

 

의미 없이 반복되는 시계 소리를 음악으로 번역하고, 멈추지 않은 시간의 압박 속에서도 자기 길을 가겠다고 선언하는 힘은 결국 래퍼들의 인간지능에서 비롯됩니다. 망원경이 인간의 감각을 확장하는 도구라면, 인공지능은 인간의 사고 능력을 확장하는 도구일 뿐이에요. 결국 도구는 우리의 능력을 넓혀 줄 뿐, 세상에 의미를 부여하는 일은 언제나 인간의 몫입니다. 김하온의 TICK TOCK을 들으며, 오늘도 물리를 통해 인생을 배웁니다.