기존 나노물질 합성과 패터닝 공정은 높은 온도에서 폭발성 혹은 독성이 있는 위험한 기체를 사용해 성장시키고, 복잡한 정렬방법을 이용해 특정 위치에 조립해야 하는 번거로운 과정이 필요했습니다.
따라서 다단계의 공정과 고비용, 비환경적인 특성 때문에 나노소자의 대량생산과 상용화에 큰 걸림돌이 되었습니다.
또한 기존 공정은 약 1000℃의 높은 온도와 부식성이 강한 화학약품을 사용하기 때문에 플라스틱과 같은 저렴하면서도 유연한 기판을 이용하는데 제약이 있었습니다.
새로운 개념의 저온 디지털 나노물질 패터닝 공정기술이 개발되어, 나노물질의 선택적인 합성과 패터닝 공정의 획기적인 단축으로 나노소자 상용화에 한걸음 다가서게 되었습니다.
■ KAIST 고승환 교수팀은 한 번의 공정으로 원하는 위치에 나노물질을 직접 성장시키는 새로운 저온 디지털 공정기술을 개발했습니다.
고 교수팀은 잉크젯 공정을 이용하여 종이에 프린트하듯이 나노물질의 씨앗층(seed layer) 패턴을 기판위에 만들고, 100℃ 이하의 저온 용액환경에서 나노와이어를 성장시키는 선택적인 저온 성장법을 개발했습니다.
이 방법을 이용하면 복잡한 후속 공정 없이도 넓은 면적의 플라스틱 기판에 한 번의 공정으로 나노물질 합성과 패터닝을 동시에 수행할 수 있는 신개념 공정을 실시할 수 있습니다.
디지털 나노물질 직접 합성 및 패터닝 공정을 이용하여 구현된 나노와이어 패터닝의 SEM 이미지 플라스틱 기판위에 구현된 나노물질 마이크로 패터닝 구조체
고 교수팀이 개발한 디지털 나노물질 직접 패터닝 기술을 이용하면 나노소자 개발기간을 단축할 수 있을 뿐만 아니라 롤투롤(roll-to-roll) 공정으로 쉽게 확장할 수 있는 장점이 있습니다.
원하는 위치에 직접 나노물질을 합성하고 패터닝하는 디지털 나노물질 직접 패터닝기술은 공정의 유연성이 매우 커서 기존에 나노소자 개발에 필요한 공정시간을 1/10 이하로 대폭 단축할 수 있습니다.
또한 이 기술은 저온공정이기 때문에 플라스틱과 같은 저렴하면서도 유연한 기판에 구현할 수 있고, 차세대 대량생산공정으로 주목 받고 있는 롤투롤 공정에도 적용할 수 있어, 나노소자의 대량생산과 상용화에 가능성을 연 획기적인 기술로 평가받고 있습니다.
이번 연구에는 KAIST 고승환 교수와 여준협, 홍석준 박사과정생, 그리고 그리고로폴로스 UC Berkeley대 교수와 호츠 미 Duke대 교수가 참여했습니다.
이번 연구결과는 물리화학분야의 권위 있는 학술지인 '랭뮤어(Langmuir)'지에 3월 14일자 표지논문으로 게재되었습니다. 고승환 카이스트 교수(왼쪽), 여준엽 연구원(두 번째) 및 홍석준 연구원(세 번째)이 나노구조체의 상태를 점검하고 있다.
(논문명 : Digital Selective Growth of ZnO Nanowire Arrays from Inkjet-Printed Nanoparticle Seeds on a Flexible Substrate)
용 어 설 명
패터닝(patterning) :
되풀이되는 모양이나 원하는 형태를 본뜨는 작업
씨앗층 (seed layer) :
나노와이어를 성장시키기 위해서는 나노물질 촉매가 필요하며 보통 금속이나 산화금속의 나노입자를 촉매로 이용한다.
나노와이어는 나노입자로부터 길이방향으로 방향성의 가지며 성장하게 되며 기판에 씨앗층이 없는 부분에서는 나노와이어가 자라지 않게 된다.
열수화학반응 (hydrothermal reaction) :
나노물질을 만드는 화학적 반응방법의 하나로 타깃물질이 이온상태로 물에 용해되어 있는 전구체 용액을 가열하여 특정 온도조건이 되면 나노물질들이 성장하기 시작하는 나노물질 구조체 합성방법.
랭뮤어(Langmuir)지 :
미국화학회가 출판하는 표면, 계면, 재료화학분야의 권위 있는 학술지로, 2010년 인용지수가 4.269이다.
| <연 구 개 요> Digital Selective Growth of ZnO Nanowire Arrays from Inkjet-Printed Nanoparticle Seeds on a Flexible Substrate S.H. Ko et al. (Langmuir - 2012. 3.14. 출판) 최근 나노선 (nanowire), 나노튜브 (nanotube), 나노입자 (nanoparticle) 등의 나노구조물을 이용한 다양한 기능성 소자의 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 이는 기존의 스케일에서 볼 수 없었던 새로운 전기적, 광학적, 기계적, 화학적 성질을 나노스케일에서 발견할 수 있고, 이를 이용해 성능이 뛰어난 소자를 제작할 수 있기 때문이다. 하지만 기존의 공정들은 진공, 고온상태에서 촉매와 유해한 기체화합물 전구체를 기본적으로 필요로 하기 때문에 고비용의 전구체와 진공장비의 필요성 때문에 합성에 필요한 비용이 굉장히 크고, 나노구조물을 합성하는 기판의 선택에 있어서 높은 온도에 견디지 못하는 플라스틱과 같은 물질을 이용하지 못하며, 환경 비친화적인 단점을 가지고 있다. 뿐만 아니라 전자 소자와 나노구조물 간의 기계/전기적 접합 성질 면에서 신뢰성이 뛰어나지 못하고, 정렬된 나노구조물의 정확한 방향성 및 균일성 등에 있어서 성능이 좋지 못하다. 따라서 실제 소자로의 응용 시 여러 가지 문제점들을 안고 있다. 본 연구팀은 이러한 기존의 단점을 극복하기 위하여 디지털 직접 나노물질 성장법을 개발하였다. 잉크젯 장비를 이용하여 종이에 프린트하듯이 나노물질의 씨앗층(seed layer) 패턴을 기판위에 형성시키고 100℃ 이하의 저온에서 열수 화학반응 (hydrothermal reaction)을 이용하여 씨앗층에만 나노와이어를 선택적으로 성장시켜서 기존의 광식각 (photolithography)공정과 유전영동 (dielectrophoresis), 미세유체 흐름 (microfluidics), 미세접촉 인쇄기법 (micro contact printing) 등을 이용하지 않고 단일 공정으로 성장시키는 선택적 저온 성장법을 개발하였다. 따라서 고가의 후속 공정들이 없이도 대면적 플라스틱 기판에 나노물질을 단일공정을 통해 나노물질 합성과 패터닝을 동시에 수행할 수 있는 신개념의 공정을 개발할 수 있었고 전자소자와 나노구조물 간의 기계/전기적 접합 신뢰성 및 나노구조체 방향성 및 균일성을 극대화 시킬 수 있었다. 이와 더불어 원하는 위치에 직접 나노물질을 합성하고 패터닝하는 디지털 나노물질 직접 패터닝 기술은 공정변경이 굉장히 용이하여 초기 나노소자 개발에 걸리는 공정개발시간을 대폭 단축시킬 수 있으며, 저온공정 특성상 플라스틱 기판에 구현이 가능하며 현재 차세대 대량생산공정으로 가장 주목을 받고 있는 롤투롤(roll-to-roll)공정으로 적용이 용이하여 현재 나노소자의 가장 큰 걸림돌이었던 대량생산과 상용화의가능성을 제시한 획기적인 기술로 고성능 나노소자의 상용화에 필요한 핵심 기술이 될 것으로 기대된다. |
<고승환 교수>
 ○ 성 명 : 고승환(38세) ○ 소 속 : 카이스트 기계항공공학부 2. 학력사항 1993.3 - 2000.2 연세대학교 기계공학과 학사 2000.3 - 2002.2 서울대학교 기계항공공학부 석사 2002.9 - 2006.12 UC Berkeley 기계공학과 박사 3. 경력사항 2006.12 - 2009.4 UC Berkeley 박사후연구원 2008.8 - 2009.5 Laurence Berkeley National Lab 연구원 2009.5 - 2011.8 카이스트 기계항공공학부 조교수 2011.9 ? 현재 카이스트 기계항공공학부 부교수 4. 주요성과 |
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