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'나노와이어 가공 신기술'로 유연소자 효율 높인다

KAIST, 700℃ 열처리된 나노와이어 옮기는 기술 개발

(대전=연합뉴스) 이주영 기자 = 국내 연구진이 고온 열처리된 나노와이어(nanowire) 물질을 유연한 기판에 완벽하게 정렬해 옮기는 기술을 개발, 압전소자의 효율을 획기적으로 높이는 데 성공했다.

한국과학기술원(KAIST) 전기및전자공학부 윤준보 교수팀은 22일 고온 열처리된 나노와이어 다발 물질을 유연 기판에 옮기는 기술과 이를 이용해 고성능 유연 에너지 수확 소자를 개발했다고 밝혔다.

티탄산바륨 나노와이어 유연기판 압전소자 사진
티탄산바륨 나노와이어 유연기판 압전소자 사진[KAIST 제공=연합뉴스]

나노와이어(nanowire)는 나노미터(㎚=10억분의 1m) 크기의 1차원 선 구조체로, 우수한 물리 및 화학적 특성과 높은 응용성으로 주목받고 있다.

특히 나노와이어는 완벽하게 정렬된 배열, 평균보다 긴 길이 등 특수한 구조를 가지면 성능이 더 우수한 것으로 밝혀져 나노와이어를 손쉽게 제작, 분석하고 이를 통해 고성능 응용 소자를 구현하려는 연구가 진행되고 있다.

최근에는 물리, 화학적으로 우수한 나노와이어를 유연한 기판에 제작, 고성능 웨어러블 센서 등 유연 전자소자에 응용하는 연구가 주목받고 있다.

그러나 기존 기술은 화학적으로 합성된 나노와이어를 용액에 섞어 유연 기판에 도포하는 방식이 사용돼 나노와이어의 구조적 장점을 활용하는 고성능 소자 구현이 어려웠다. 최첨단 나노 공정법과 내열성 유연물질을 이용하기도 하지만 경제적으로 비효율적이고 700℃ 이상 초고온에서 안정적인 재료를 제작하는 데는 부적합해 사용 범위가 제한적이다.

연구팀은 완벽하게 정렬된 나노와이어 다발을 제작할 수 있는 대면적 실리콘 틀(나노그레이팅)을 만들고 그 위에 고온에서도 견디는 나노희생층(nano-sacrificial layer)을 결합하는 새로운 나노옮기기(nano-transfer) 기술을 개발했다.

새로운 나노옮기기(nano-transfre) 공정 설명 그림
새로운 나노옮기기(nano-transfre) 공정 설명 그림KAIST 제공=연합뉴스]

나노희생층 위에 정렬된 나노와이어 다발을 형성하고 고온 열처리로 나노와이어의 특성을 높인 다음 이를 유연기판에 옮기고 용액으로 나노희생층을 제거하면 나노그레이팅과 나노와이어가 고온열처리 과정에서 눌어붙는 문제를 해결할 수 있다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 이 방식으로 압력을 받으면 전기가 생산되는 압전소자 소재인 티탄산바륨(BaTiO₃) 나노와이어를 만들고 700℃ 이상에서 열처리한 뒤 유연 기판에 옮겨 유연 압전소자를 만들었다.

이 유연 압전소자는 비결정 티탄산바륨 나노와이어를 사용한 압전소자보다 전류가 10배, 전압이 37배 높은 전기를 생산할 수 있는 것으로 확인됐다.

연구팀은 이 기술은 반도체식 공정인 물리기상 증착법을 기반으로 제작하기 때문에 세라믹, 반도체 등 다양한 물질의 나노와이어를 유연 기판 위에 제작할 수 있다며 유연 트랜지스터, 열전소자 등 다양한 고성능 유연 전자소자 제작에 이용할 수 있다고 밝혔다.

논문 제1저자인 서민호(박사과정)씨는 "이 연구에서 물성이 향상된 나노와이어 물질을 유연 기판 위에 옮기고 이를 이용한 소자 수준의 성능 향상을 선보였다"며 "다양한 나노와이어 물질의 유연 기판 위 제작과 고성능 웨어러블 전자소자 구현에 기반이 될 것"이라고 말했다.

한국연구재단 도약연구지원사업 지원으로 수행된 이 연구 결과는 국제학술지 'ACS 나노(ACS Nano, 1월 30일자) 온라인판에 게재됐다.

KAIST 윤준보 교수(왼쪽)와 제1저자 서민호(박사과정) 씨
KAIST 윤준보 교수(왼쪽)와 제1저자 서민호(박사과정) 씨[KAIST 제공=연합뉴스]

scitech@yna.co.kr

<저작권자(c) 연합뉴스, 무단 전재-재배포 금지>2017/02/22 10:28 송고

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