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'나노구조체'에 해당되는 글 2

  1. 2011.09.20 신기한 나노, 표면적이 10만배 늘어난다고?
  2. 2011.01.24 나노구조체의 물성 기준 평가 기술

형성된 나노구조체: 식각 공정을 이용해 구조체의 밀도 조절이 가능하다. 나노구조체 밀도는 1 cm2 당 각각 1200억 개(오른쪽), 720억 개(왼쪽)

나노구조체의 크기는 머리카락 지름의 1000분의 1정인 1㎛(마이크로미터) 이하입니다.


때문에 동일한 부피에 나노구조체를 형성하면 표면적이 획기적으로 증가하는 현상이 나타납니다.

투명전도층이 증착된 나노구조체: 투명전도층은 빛의 투과도와 전기적 전도성이 우수하다. 이러한 투명전도물질과 나노구조체간의 접합을 통해 새로운 광전소자를 개발했다. 빛 굴절계수가 작은 투명 전도물질은 빛의 반사도를 낮추는 효과도 지닌다.

광전소자는 에너지를 전기에너지로 변환하는 소자로, 태양전지나 LED, 디스플레이, 조명기기 등의 제작에 근간이 되고 있습니다.


그러나 현재까지 개발된 광전소자는 크기가 작은 나노구조체에 일일이 전류를 통하게 해야 하는 등 미세하고 까다로운 공정이 필요해 상용화에 어려움이 있었습니다.

그런데 이 같은 돌기 형상의 나노구조체를 활용해 태양전지의 효율을 높일 수 있는 차세대 광전소자가 개발됐습니다.

한국기계연구원 나노역학연구실 김준동 박사팀은 돌기 형상의 대면적 나노구조체에 고성능 투명전극을 입혀 입사광 이용면적을 기존 평판 형태보다 10만 배 이상 획기적으로 늘린 광전소자를 개발했습니다.

나노구조체를 이용한 광전소자 모식도


연구팀이 새로 개발된 광전소자는 전극을 지니는 고성능 물질을 플라즈마 증착 기술을 이용해 나노구조체의 돌기에 입혀 제작비용을 20~30% 절감해 대면적 나노구조체 공정에 활용할 수 있게 됐습니다.

이로 인해 향후 태양전지나 LED, 디스플레이, 조명기기 등의 제작에 새 장이 열릴 것으로 기대되고 있습니다.

나노구조체의 표면적 증가 효과. 나노구조체의 밀도가 증가하면 전류값이 비례해 증가한다. 나노구조체 소자는 일반기판 소자보다 전류를 32배까지 늘인다.

이번 연구는 최준혁 박사팀과 한양대 이정호 교수팀의 협력을 통해 진행됐습니다.

이 기술은 현재 국내특허가 출원됐고, 이번 연구의 결과는 최근 미국의 유명 저널 ‘Applied Physics Letters’에 발표됐다.


연구팀은 이번 기술을 활용해 태양전지의 효율성 향상 연구도 진행한다고 합니다.

 

전극을 지니는 고성능 물질을 플라즈마 증착 기술을 이용해 나노구조체의 돌기에 입히는 실험을 진행하고 있는 한국기계연구원 김준동 박사.

posted by 글쓴이 과학이야기

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지금까지 세계의 연구자들은 나노구조체의 기계적 물성을 평가할 수 있는 방법을 찾기 위해 다각도로 연구했지만, 물성 값 도출에 큰 오차를 보이면서 결과의 해석에 큰 이견을 나타냈습니다.

박원일 교수

장재일 교수


그런데 한양대 신소재공학부 장재일 교수와 박원일 교수가 공동 주도하고 한국과학기술연구원(KIST)의 최인석 박사가 참여한  연구에서 나노구조체의 기계적 물성을 정확히 분석하는 기술이 정립됐습니다.

이에 따라 현재보다 더욱 얇고 작으면서도 질적으로는 더 우수한 나노소자를 신뢰성 있게 설계, 생산, 구동할 수 있는 기반 기술이 확보됐습니다.

연구팀은 지금까지 보고된 연구 가운데 가장 다양한 크기 범위의 나노선에 대한 실험을 수행, 나노선의 기계적 물성을 가장 정확하게 측정할 수 있는 기술을 개발하고, 기계적 물성에 미치는 나노선의 크기 효과를 체계적으로 정립하는데 성공했습니다.

연구팀은 나노역학 시험법으로 주목받고 있는 원자힘현미경(AFM; Atomic Force Microscope) 굽힘 시험과 나노압입(Nanoindentation) 시험을 동시에 실시해 실리콘 나노선의 기계적 물성을 평가했고, 다양한 시험조건과 분석 방법을 통해 얻은 결과를 바탕으로 나노선의 기계적 물성을 가장 정확하게 측정할 수 있는 방법을 제시했습니다.

<실리콘(Si) 나노선(nanowire)의 기계적 물성 분석 절차>

(a) (왼쪽부터) 원자힘현미경 굽힘 시험을 위해 준비한 나노선 모습, 시험모식도 및 시험 후 원자힘현미경 이미지(b) (오른쪽부터)나노압입 시험을 위해 준비한 나노선 모습, 시험모식도 및 시험 후 원자힘현미경 이미지.




또 지금까지 수행된 연구 중에서 다양한 크기 범위의 나노선에 대해 실험을 수행해 최근 논란이 가열되고 있는 기계적 물성에 미치는 나노선의 크기 효과를 체계적으로 정립했습니다.

<원자힘현미경(AFM, Atomic Force Microscope) 굽힘 시험 결과>

(a) 원자힘현미경 굽힘 시험으로부터 얻은 힘(force) - 변위(displacement) 곡선이며, 삽입된 이미지는 실험 전(위)과 후(아래)의 실리콘 나노선의 모습을 나타냄.(b) 굽힘 시험에서 사용되는 세 가지 모델을 (a)의 결과에 적용하여 얻은 탄성계수(elastic modulus)와 항복강도(yield strength)를 나노선 크기에 따라 체계적으로 비교함.


<나노압입(Nanoindentation) 시험 결과> 

(a) 나노압입 시험으로부터 얻은 하중(load)-변위(displacement) 곡선이며, 삽입된 이미지는 실험 전(위)과 후(아래)의 실리콘 나노선의 모습을 나타냄.(b) 사용된 압입자의 각도의 변화에 따라 나노선 크기에 따른 탄성계수(elastic modulus)와 항복강도(yield strength)를 비교함.


이번 연구결과는 재료공학분야에서 권위 있는 학술지인 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)' 1월호에 게재됐습니다.
(논문명 : Exploring Nanomechanical Behavior of Silicon Nanowires: AFM Bending Versus Nanoindentation)

<나노 구조체의 기계적 물성에 미치는 크기 효과 분석>
 

원자힘현미경 굽힘 시험을 이용하여 얻은 결과들을 기존 연구들과 비교하고 나노선의 크기 변화에 따른 탄성계수(왼쪽)와 항복강도(오른쪽)의 변화를 체계적으로 분석함.



 용   어   설   명

나노구조체
: 나노미터(10억분의 1m) 크기를 가지는 구조체를 가리키며, 대표적으로 0차원 나노구조체인 양자점(quantum dot), 1차원 나노구조체인 나노선(nanowire), 2차원 나노구조체인 그래핀(graphene)  등이 여기에 포함됨. 

나노구조체의 기계적 물성
: 나노구조체가 외부로부터 힘을 받았을 때 나타나는 거동 및 성질을 의미하며, 강도와 탄성 등이 이에 해당됨.

나노소자
: 나노 크기를 가지는 소재 및 구조체를 이용하고 나노기술을 통해 만든 미세  기능성 장치를 말함. 

나노선
: 일차원 나노구조체로서 단면의 지름이 수 나노미터~수십 나노미터 정도의 크기를 가지는 극미세선으로 이것을 만드는 기술은 세계를 변화시킬 신기술 가운데 하나로 꼽히며, 트랜지스터, 논리회로, 메모리, 화학감지용 센서(감지기), 레이저, 에너지 재생/저장 등 다양한 분야에 쓰임.

나노선의 크기효과
: 모든 재료는 나노크기로 작아질 때 물리적, 화학적 성질이 변하게 되는데, 기계적 물성(강도, 탄성 등) 또한 일반적인 크기의 경우와 완전히 다른 성질을 나타내게 됨.

원자힘현미경(AFM, Atomic Force Microscope) 굽힘 시험
: 원자간 힘을 이용하여 극미소 소재의 표면 정보를 구체적으로 분석할 수 있는 장비인 원자힘현미경(AFM)에 장착된 캔틸레버(cantilever)를 측면으로 이동시켜 나노선에 힘을 가하고 그때 얻어지는 굽힘의 정도로부터 나노선의 강도를 평가하는 방법임

나노선에 대한 AFM 굽힘 시험 모식도

나노압입(Nanoindentation) 시험
: 압입(indentation)시험을 이용한 소재의 강도(strength)측정 방법 중 하나로 작게는 수 나노미터(nm) 깊이까지 하중을 가하고, 이때 얻어지는 하중-변위 곡선을 해석함으로써 미소영역에 대한 기계적 물성을 쉽고 비파괴적인 방법으로 측정할 수 있음.

나노선에 대한 나노압입시험 모식도



중견연구자지원사업 내 핵심연구
: 교육과학기술부 이공분야 기초연구지원사업의 하나로서 과학기술 전 분야의 창의성 높은 개인연구 또는 공동연구를 지원하여  기초연구능력을 배양하고 우수 연구인력을 양성하는 것을 목적으로 함.

  

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