극미세 가닥을 수직 정렬해 안정적인 전기 접촉에 성공했다. 사진은 수직정렬 나노선 소자의 전기적 특성을 평가하고 있는 모습.
이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 국가그린나노기술 사업의 지원으로 수행되었고, 세계적 권위의 재료 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼(Advanced Materials)’ 최근호(2012-05-02 일자)에 게재되었다.
KRISS(한국표준과학연구원, 원장 강대임) 나노소재평가센터 이우 박사 연구팀이 대면적의 기판 위에 수십-수백 나노미터(nm) 굵기의 극미세 가닥(나노선)을 수직으로 정렬해 만들고 안정적으로 전기적 접촉이 이루어지도록 하는 기술을 개발했다.
나노선이란 수 십 ~ 수 백 나노미터(10억분의 1미터)의 굵기를 갖는 반도체 물질로 이루어진 머리카락 형태의 나노 구조체이다.
기존에는 나노선들이 기판 면에 평행하게 누워있는 구조로 되어 있어, 단일 나노선의 경우 나노 암페어 정도의 매우 적은 양의 전류만을 발생시킬 수 있었다.
나노선 소자의 성능은 단위면적당 집적될 수 있는 나노선 개수와 표면적에 비례하기 때문에 수평배열을 갖는 나노선 소자는 구조적인 특성상 얻어낼 수 있는 성능에 한계가 있다.
나노 암페어(nA)란 암페어는 전류의 단위로, 1 나노 암페어는 10억분의 1 암페어 이다.
이러한 문제는 나노선을 기판 위에 고밀도로 수직정렬 시키면 해결할 수 있다. 하지만 수직 정렬된 각각의 나노선 끝과 안정적으로 전기적 접촉을 성공시키기 위해서는 기술적 문제가 남아 있어 그동안 나노선 기반 첨단 소자의 상용화에 걸림돌로 작용해 왔다.
이를 해결하기 위해 연구팀은 수직 정렬된 나노선 상단에 구름다리 형태로 걸쳐진 2차원적 고분자 박막을 입혔다.
그 위에 금속을 덧씌워 선택적으로 개별 나노선 사이에 안정적인 전기적 접촉이 이루어지도록 했다.
이 기술을 적용할 경우, 기존의 나노선을 수평으로 배열한 소자에 비해 단위면적당 나노선 집적도가 월등한 소자를 구현할 수 있으며, 전류의 양 또한 100만 배 이상을 얻을 수 있다.
안정적으로 나노선 사이의 전기적인 접합을 구현한 이번 연구결과는 지금까지 수직 정렬된 나노선이 실질적으로 다양한 분야에 응용되기 위한 핵심기술로 평가받고 있다.
또한 물질의 종류에 상관없이 다양한 분야에 접목이 가능해 상용화를 위한 핵심기술로 평가받고 있다.
나노선은 독특한 물리·화학적 특성을 갖고 있어 학문적으로 중요한 연구 대상이 되고 있다.
또한 각종 미래 첨단 전자소자 구현을 위한 핵심 재료로서 각광받고 있는 분야이다.
연구팀은 열을 가하면 부드럽게 되어 다른 모양으로 바꿀 수 있는 성질(열가소성)을 가진 고분자 막이 특정 온도에서 액체형태로 완전히 녹지 않고 어느 정도의 유동성 만을 갖는다는 점에 주목했다.
또 개별 나노선 표면이 갖는 본래의 물리·화학적 특성은 변화시키지 않는다는 특징을 가지고 있다.
연구팀은 수평정렬 나노선 소자에 비해 탁월한 성능을 갖는 수직정렬 나노선을 기반으로 한 기체분자 센서를 성공적으로 제작해 개발한 기술이 실질적으로 응용될 수 있음을 확인했다.
한희 박사는 “이 기술은 기존 반도체 소자 제작 공정에 비해 비용 및 시간 측면에서 매우 경제적이며, 다양한 나노선 물질에 적용될 수 있는 장점이 있다.”며 “수직 정렬된 나노선을 활용해 고효율 태양전지, 열전소자, 압전소자, LED 소자, 분자센서 등 다양한 첨단소자를 구현할 수 있을 것”이라고 말했다.
연구진은 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 발표해 그 우수성을 인정받았다.
이 박사 연구팀은 이번 연구결과를 바탕으로 나노선 기반 고효율 에너지수확 장치 개발 및 상용화에 대한 연구를 진행 중이다.
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