집광된 레이저로 나노소자 상용화의 첫 발을 떼어
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집광된 레이저로 나노소자 상용화의 첫 발을 떼어
  • 한수연 기자
  • 승인 2013.09.03 12:12
  • 댓글 0
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최초로 열수화학반응에서 레이저를 사용... 한 번의 공정으로 나노와이어 생성해내 생성시간 획기적으로 단축

 우리 학교 기계공학과 여준엽 박사와 고승환 교수 공동연구팀이 레이저로 원하는 위치에 나노와이어를 합성하는 데 세계 최초로 성공했다. 이 기술은 합성시간을 기존의 10분의 1 이하로 줄여 나노 소자 대량생산의 길을 열었다. 연구는 신소재 응용분야의 저명한 학술지 <어드밴스 드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)> 7월 9 일 자 표지논문으로 선정되었다.

LED, 태양전지 등 최첨단 기술에 두루 쓰이는 나노와이어
 
나노와이어는 나노미터 단위의 크기를 가지는 와이어 구조체를 말한 다. 나노와이어는금, 은, 구리등금 속뿐만 아니라 비금속과 반도체 등 종류가 다양하다. 나노와이어는 LED에서부터 태양전지까지 최첨단 기술에 두루 쓰이고 있다. 나노 크기 에서는 양자역학적인 효과가 지배적으로 나타나 일반적인 방법으로 나노와이어를 생성하는 데는 복잡한 공정이 필요하다. 나노와이어를 만드는기술이 최초로 발명된것은 1964년으로, 이는 실리콘으로 나노와이어를 만드는 VLS방법(Vapor Liquid Solid)이다.
 
VLS, 기체로 화학반응을 일으켜 나노물질 생성해
 
지금까지의 나노와이어 합성법은 대부분 VLS방법을 따르고 있다. VLS방법은 용기에 높은 압력과 높은 온도를 가해 기판에 나노와이어를 생성하는 방법이다. VLS방법은 기체상태의 물질에 높은 압력과 온도를 가해 준비된 기판에 나노물질이 자라게 한다. 합성된 나노물질을 전자 소자로 응용하려면 VLS 방법 에서 불순물이 섞여 분리, 집적, 패터닝 등의 추가공정이 필요하다. 집적은 어떠한 공간에 나노 와이어를 모으는 것이고, 패터닝은 단순히 모으는 것이 아닌 원하는 모양이나 일정 패턴, 또는 형태로 나노 와이어들을 배열하는 것이다.
 
▲ <어드밴스드 펑셔널 머티리얼 스> 7월 호 표지/ 여준엽 박사 제공

액체 상태에서 나노와이어를 합성하는 열수화학반응
 
VLS 방법에서 사용되는 기체는 대부분 폭발성 혹은 독성이 있어 공정에 위험성이 크다. 그뿐 아니라 높 은 온도와 압력에서 반응이 일어나고 한 번 사용한 기체는 다시 사용할 수 없어 효용이 낮았다. 이러한 단점을 극복하기 위해 액체 상태에서 나노와이어를 생산하는 공정이 개발되었는데 이를 열수화학반응이라고 한다. 이 방법은 기판에 전구체의 화학 반응으로 나노와이어를 합성하는 방법이다. 전구체는 어떤 물질이 되기 전 단계의 물질로, 나노와이어의 종류에 따라 특정 화합물을 조합해 물에 섞어만든것이다. 이를 기판과 함께 열을 가하면 화학반응으로 나노물질이 자라난다.
그러나 VLS 방법과 열수화학반응은 많은 단계의 공정과 많은 양의 전구체가 필요해 나노물질 대량생산과 상용화에 차질을 빚었다. 이번 연구에서는 집광된 레이저로 원하는 위치에 나노와이어를 합성해 한 번의 공정으로 합성, 집적, 패터닝을 동시 에 가능하게 했다. 

레이저로 공정 시간 단축해
 
이번 연구는 대상 기판에 레이저를 쏘아 나노와이어를 합성하는 것 이다. 레이저를 쏘면 국소 부분의 온 도가 급격히 올라가 빠른 시간 내에 나노물질이 생성된다. 기판 전체의 온도를 올려야 했던 기존 방법에서는 전구체를 대량으로 사용해야했지만, 이번 연구는 국소 부분의 공정도 가능하기 때문에 전구체 한 방울로도 나노물질을 생성할 수있다. 또 기존에는 전구체를 넣은 용기를 높은 온도로 가열하면 기판에 열변형이 일어나 사용할 수 있는 기판 소재에 한계가 있었다. 하지만 레이저는 약10μm 부분만 열을 가할 수있어 전체 열변형이 일어나지 않아 원하는 기판 소재를 자유롭게 사용할 수 있다. 3차원 구조물 위에서도 원하는 위치에 간단히 레이저만으로 나노물질을 합성할 수 있다. CCD (Charged Coupled Device)를 사용해 패터닝할 곳을 인식한 후 레이저를 가한다. 레이저 빛이 CCD로 입사하게 되면 그에 반응하여 미세 전류가 발생한다. 전류값의 크기를 계산해 합성결과를 디스플레이에서 실제 화면으로 보여준다. 이 연구로 기존 연구와는 달리 나노물질의 합성, 집적, 패터닝 등이 한 번에 가능하게 되었다.
 
열수화학반응에서 레이저를 이용해 나노와이어를 생성한 경우는 이번이 최초다. 이 연구는 기능성 전자 소자 개발에 드는 시간을 수십 시간 에서 5분으로 획기적으로 줄어들게 한 데 큰 의의가 있다. 이는 앞으로 나노소자 상용화에 크게 이바지할 것으로 보인다. 여 박사는“이처럼 다양한 나노물질의 조합을 통해 다 기능 전자 소자 개발의 상용화와 나노와이어의 대량생산 공정을 개발할 생각이다”라고 밝혔다.

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