개발된 새로운 나노와이어 전사 공정 과정(a) 과 나노희생층 식각 원리(b)의 모식도 © News1

국내 연구진이 섭씨 700도로 열처리된 나노와이어를 옮기는 기술을 개발했다.

한국과학기술원(KAIST)은 전기 및 전자공학부 윤준보 교수 연구팀이 고온에 열처리된 나노와이어 다발 물질을 유연 기판에 옮기는 기술과 이를 이용한 고성능의 유연 에너지 수확 소자를 개발했다고 22일 밝혔다.

대표적인 나노물질인 나노와이어(nanowire)는 나노미터 단위의 크기를 가지는 와이어 구조체로, 1차원 구조에 기반한 우수한 물리·화학적 특성과 높은 응용성 덕분에 과학 및 공학적으로 중요하게 사용되고 있다.

특히 완벽하게 정렬된 배열, 평균보다 긴 길이 등 특수한 구조를 갖는 나노와이어는 그 성능이 더욱 우수한 것으로 밝혀졌다.

이 때문에 나노와이어들을 손쉽게 제작 및 분석하고, 이를 통한 고성능의 응용 소자를 구현하려는 연구가 활발히 진행 중이다.

그러나 기존 기술은 화학적 합성법으로 제조된 나노와이어를 용액에 섞어 유연 기판에 도포하는 무작위 분포 방식을 활용했기 때문에 나노와이어의 구조적 장점을 활용하는 고성능 소자의 구현에는 어려움이 있다.

또 최첨단 나노 공정법과 내열성을 갖는 유연 물질을 이용하기도 하지만 이는 경제적으로 비효율적이고 700도 이상의 초고온에서 안정적인 재료를 제작하기에는 부적합해 사용 범위가 제한적이다.

이에 연구팀은 대면적으로 제작된 실리콘 나노그레이팅(nano-grating) 기판과 나노희생 층(nano-sacrificial layer) 공정을 결합하는 새로운 나노 옮기기(nano-transfer) 기술을 개발했다.

이 기술은 옮기기의 틀(mold)이 되는 나노그레이팅 기판과 나노와이어 사이에 존재하던 나노희생 층이 열처리 이후 나노와이어를 유연 기판으로 옮길 때 희생 층이 없어진다.

이를 통해 초고온에서 물성 확보가 된 나노와이어를 정렬된 형태로 유연 기판에 안정적으로 제작할 수 있다.

연구팀은 이 기술을 이용해 700도 이상부터 물성이 확보되는 티탄산바륨 나노와이어를 유연 기판 위에 완벽하게 정렬해 제작하는 데 성공했다.

또 이를 웨어러블 에너지 수확에 응용해 기존에 보고된 일반적인 티탄산바륨 나노와이어 기반 에너지 수확 소자의 특성을 뛰어넘는 높은 전기적 에너지를 얻었다.

이 기술은 반도체식 공정인 물리기상 증착법을 기반으로 제작하기 때문에 세라믹, 반도체 등 다양한 물질을 나노와이어의 유연 기판 위 제작에 활용 가능하다.

연구팀은 이 기술이 유연 트랜지스터, 열전소자 등 다양한 고성능 유연 전자소자 제작에 활발히 이용 가능할 것으로 기대하고 있다.

이번 연구는 한국연구재단 도약연구지원사업의 지원으로 수행됐다.

이번 연구 성과는 나노과학 및 공학 분야 국제 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 지난 1월30일자 온라인 판에 게재됐다.