박막(薄膜, Thin Film)은 두께가 나노미터(단분자층) 수준의 분수 지점에서 수 마이크로미터에 이르는 재료 층을 뜻한다. 일반적으로 두께가 1마이크로미터(1㎛) 이하인 얇은 막을 가리키며, 벌크(부피) 상태의 재료와는 물리적, 전기적, 광학적, 기계적 성질이 현저히 달라지는 것이 특징이다.
박막은 기판(substrate) 위에 원자나 분자 단위의 물질을 증착(deposition)하여 형성된다. 이 증착 과정은 물리적 방법과 화학적 방법으로 크게 분류된다. 물리적 기상 증착(PVD)에는 열 증착, 전자 빔 증착, 스퍼터링, 펄스 레이저 증착, 분자선 에피택시 등이 포함된다. 화학적 증착에는 화학 기상 증착(CVD), 원자층 증착(ALD), 졸-겔법, 스핀 코팅, 도금 등이 있다. 각 방법은 목적에 따라 선택되며, 증착되는 막의 두께, 균일도, 조성, 결함 밀도 등에 따라 최종 특성이 결정된다.
박막의 성장 초기 단계에서는 핵 생성(nucleation)이 중요한 역할을 한다. 흡착(adsorption)과 탈착(desorption), 표면 확산(surface diffusion) 과정이 막의 미세 구조와 성장 방식을 결정한다. 대표적인 성장 모드로는 프랑크-반데르메르베 성장(층별 성장), 스트란스키-크라스탄오브 성장(층+섬 성장), 볼머-베버 성장(섬 성장)이 있다.
박막은 기판과의 격자 불일치, 열팽창 계수 차이, 성장 과정에서의 결함 생성 등으로 인해 인장 또는 압축 변형력(stress)을 받을 수 있으며, 이는 막의 균열, 좌굴, 박리 등을 유발할 수 있다. 박막의 변형력을 측정하기 위해 웨이퍼 곡률 측정(스토니 공식), 나노인덴테이션, X선 회절, 라만 분광법, 투과전자현미경 등의 기법이 사용된다.
박막 기술은 현대 산업 전반에 걸쳐 폭넓게 응용된다. 대표적인 사례로는 반도체 집적 회로의 금속 배선 및 절연층, 디스플레이의 전극 및 발광층, 태양전지(박막 광전지), 광학 코팅(반사 방지막, 반사 거울), 자기 기록 매체, 절삭 공구의 하드 코팅, 센서, 박막 배터리, 약물 전달용 박막 등이 있다. 또한 가정용 거울은 유리판 뒷면에 금속 박막을 입혀 반사 계면을 형성한 친숙한 예이다.
여러 층의 박막이 쌓인 구조는 다층막(multilayer)이라 하며, 각 층의 두께와 재료 조합을 정밀하게 제어함으로써 벌크 재료에서는 달성할 수 없는 독특한 특성이 구현될 수 있다. 특히 에피택시(epitaxy)는 기판의 결정 구조를 따라 결정질 박막을 성장시키는 기술로, 반도체 소자 및 양자 구조 연구에서 핵심적인 역할을 한다.
박막 관련 연구와 기술은 20세기 중반 이후 재료 과학 분야에서 중요한 축을 이루어 왔으며, 현재도 나노스케일 두께 제어와 신소재 응용을 중심으로 지속적으로 발전하고 있다.
