나노선 상용화 핵심난제 풀다

나노선은 수 십~수 백 ㎚(10억 분의 1m)의 굵기를 갖는 반도체 물질로 이루어진 머리카락 형태의 나노 구조체입니다.

나노선은 독특한 물리·화학적 특성을 갖고 있어 학문적으로 중요한 연구 대상이 되고 있습니다.

또한 각종 미래 첨단 전자소자 구현을 위한 핵심 재료로서 각광받고 있는 분야입니다.

주요 적용 분야로는 차세대 신재생 에너지로 주목받고 있는 고효율 태양전지, 폐열을 전기에너지로 변환하는 열전소자, 질병 유무를 판별하는 폭발물, 마약 탐지 등이 가능한 분자센서 등이 있습니다.

그러나 나노선들이 기판 면에 평행하게 누워있는 구조로 되어 있어, 단일 나노선의 경우 나노 암페어 정도의 매우 적은 양의 전류만을 발생시킬 수 있었습니다.

나노선 소자의 성능은 단위면적당 집적될 수 있는 나노선 개수와 표면적에 비례하기 때문에 수평배열을 갖는 나노선 소자는 구조적인 특성으로는 얻어낼 수 있는 성능에 한계가 있습니다.

이러한 문제는 나노선을 기판 위에 고밀도로 수직정렬 시키면 해결할 수 있지만, 수직 정렬된 각각의 나노선 끝과 안정적으로 전기적 접촉을 성공시키기 위해서는 기술적 문제가 남아 있어 그동안 나노선 기반 첨단 소자의 상용화에 걸림돌로 작용되었습니다.

■ KRISS(한국표준과학연구원) 나노소재평가센터 이우 박사 연구팀이 대면적의 기판 위에 극미세 가닥 나노선을 수직으로 정렬해 만들고 안정적으로 전기적 접촉이 이루어지도록 하는 기술을 개발했습니다. 
 

(좌) 수직 정렬된 나노선 상부에 구름다리 형태로 걸쳐진 2차원 고분자 박막을 형성시킨 후, 나노선 끝단이 선택적으로 노출될 수 있도록 고분자 박막층을 부분적으로 식각한다. 그 위에 금속을 증착시켜 선택적으로 개별 나노선들 간에 안정적인 전기적 접촉이 이루어지도록 했다.
(우상) 수직 정렬된 나노선 
(우하)상부에 금속-나노선 접촉을 갖는 수직 정렬된 나노선을 주사전자현미경으로 관찰한 모습

연구팀은 수직 정렬된 나노선 상단에 구름다리 형태로 걸쳐진 2차원적 고분자 박막을 입히고, 그 위에 금속을 덧씌워 선택적으로 개별 나노선 사이에 안정적인 전기적 접촉이 이루어지도록 했습니다.

이를 통해 기존의 나노선을 수평으로 배열한 소자에 비해 단위면적당 나노선 집적도가 월등한 소자를 구현할 수 있고, 전류의 양 또한 100만 배 이상을 얻을 수 있었습니다. 

안정적으로 나노선 사이의 전기적인 접합을 구현한 이번 연구결과는 지금까지 수직 정렬된 나노선이 실질적으로 다양한 분야에 응용되기 위한 핵심기술로 평가받고 있습니다.

또한 물질의 종류에 상관없이 다양한 분야에 접목이 가능해 상용화를 위한 핵심기술로 평가받고 있습니다. 

연구팀은 열을 가하면 부드럽게 되어 다른 모양으로 바꿀 수 있는 열가소성을 가진 고분자 막이 특정 온도에서 액체형태로 완전히 녹지 않고 어느 정도의 유동성 만을 갖는다는 점에 주목했습니다.

또 개별 나노선 표면이 갖는 본래의 물리·화학적 특성은 변화시키지 않는다는 특징도 이용했습니다.

그 결과 수평정렬 나노선 소자에 비해 탁월한 성능을 갖는 수직정렬 나노선을 기반으로 한 기체분자 센서를 성공적으로 제작했고, 이 기술이 실질적으로 응용될 수 있음을 확인했습니다.

이 기술은 기존 반도체 소자 제작 공정에 비해 비용 및 시간 측면에서 매우 경제적이며, 다양한 나노선 물질에 적용될 수 있습니다.

이 수직 정렬 나노선으로 고효율 태양전지, 열전소자, 압전소자, LED 소자, 분자센서 등 다양한 첨단소자를 구현할 수 있을 전망입니다.

연구팀은 이번 연구결과를 바탕으로 나노선 기반 고효율 에너지수확 장치 개발 및 상용화를 추진 중입니다.

연구팀은  이번 연구개발에 앞서 실리콘 나노선의 결정학적 배향, 크기, 형상을 자유자재로 제어할 수 있는 원천기술을 개발해 세계적 권위의 나노기술 학술지인 나노레터스(Nano Letters), 에이씨에스 나노(ACS Nano) 등에 발표한 바 있습니다.

이번 연구는 세계적 권위의 재료 학술지인 '어드밴스드 머티리얼(Advanced Materials)' 05월 2일자에 게재되었습니다.

수직정렬 나노선 소자의 전기적 특성을 평가하고 있는 모습

한희 박사(왼쪽), 이우 박사(오른쪽)

 

 용  어  설  명

나노 암페어(nA) :
암페어는 전류의 단위로, 1 나노 암페어는 10억분의 1 암페어