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| 한양대 박원일 교수팀, 저온 액상공정으로 신개념 3차원 나노구조체 합성 |
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| 전자소자와 광소자의 효율 및 집적도 향상 가능 |
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아이애드피알 
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| ▲ 액상 공정을 이용하여 직경이 큰 나노막대의 길이가 직경이 작은 나노막대 보다 길이보다 긴 조건에서 3차원 나노구조체를 구현한 전자현미경사진(위쪽)과 직경이 작은 나노막대가 길이가 큰 나노막대보다 더 길게 성장 시킨 3차원 나노구조의 전자현미경사진(아래쪽). (사진제공=한국연구재단) © 아이애드피알 | | 국내 연구진이 저온 액상공정으로 반도체 나노막대의 직경과 길이를 원하는 대로 조절해 3차원 나노구조체를 합성하는데 성공했다. 3차원 나노구조체는 기존의 전자소자와 광소자의 효율 및 집적도를 높일 수 있을 뿐만 아니라, 차세대 태양전지나 고성능 센서 등 다각적으로 활용될 수 있다.
액상공정은 금속염, 산화물 등을 용액상태에서 물질의 용해도, 온도 및 용액의 농도의 특성을 이용해 합성하거나 결정을 성장하는 방법이다.
나노막대는 나노미터(십억분의 1미터)의 지름과 수~수십 마이크론(백만분의 1미터)의 길이를 갖는 가느다란 나노물질로, 나노막대 합성과정에서 물질의 조성비율, 도핑 등을 조절할 수 있어 태양전지, 발광다이오드 등 다양하게 활용될 수 있다.
한양대 박원일 교수, 고려대 박홍규 교수(교신저자) 및 한양대 이정민 박사(제1저자)가 주도한 이번 연구는 교육부와 한국연구재단이 추진하는 일반연구자지원사업(기본연구) 등의 지원으로 수행되었고, 세계적인 과학 분야 권위지 Nature의 자매지인 Nature Communications 2월 17일자(논문명 : Strong interactive growth behaviors in solution-phase synthesis of three-dimensional metal oxide nanostructures)에 게재되었다.
최근 소자의 성능을 극대화하고 크기를 최소화하기 위해 나노소재의 형태, 직경, 길이 및 위치 등을 원하는 대로 만들 수 있는 3차원 나노구조체에 대한 수요가 점점 늘어나고 있다.
그러나 기존의 제작방법(식각과 에칭)으로는 공정이 복잡한데다 구조적인 한계로 3차원 나노구조체를 만들기 어렵고 나노구조체의 길이를 자유자재로 조절하는데도 한계가 있었다.
연구팀은 저온 액상공정으로 산화물 반도체(산화아연) 나노막대를 조절해 3차원 나노구조체를 합성하는데 성공하고, 합성하는 과정에서 성장환경에 따라 인접한 나노막대들 사이에 강력한 상호작용이 일어나 나노막대의 성장속도도 다양하게 변하는 현상을 발견하였다.
흥미롭게도 마치 사람들이 때론 경쟁하고 때론 협력하는 것처럼 나노세계에서도 이와 비슷한 상호작용이 일어난다는 것이다.
액상공정 중에서 반응물질의 농도가 충분하면(25mM, 밀리몰), 나노막대의 직경과 상관없이 나노막대의 길이가 모두 같았다.
그러나 반응물질의 농도를 점차 줄이면(2.5mM), 직경이 큰 나노막대가 직경이 작은 나노막대의 반응물질을 빼앗는 이른바 ‘약육강식’의 상호작용이 나타났다. 이에 따라 직경이 큰 나노막대가 작은 나노막대보다 더 빠르게 성장했다.
깁스톰슨 효과(Gibbs Thomson effect)란 나노입자의 직경이 작으면 나노막대가 생성되기 시작하는 핵생성의 에너지가 많이 필요하기 때문에 나노막대의 성장 속도가 느려지지만, 큰 직경의 나노입자는 핵생성 에너지가 적게 필요하므로 나노막대의 성장속도가 빨라지는 현상이다.
반응물질의 농도를 더 줄이면(1.6mM) 나노막대 간에 경쟁이 더 치열해져, 반대로 반응물질이 더 필요한 직경이 큰 나노막대가 짧은 나노막대보다 성장이 느려 짧아졌다.
또한 깁스톰슨 효과가 일어나는 농도에서는(2.5mM) 가까운 거리의 나노막대 사이에 경쟁이나 쟁탈대신 시너지를 일으켜 서로 성장을 돕는 이른바 ‘상부상조’와 유사한 현상도 나타났다.
박원일 교수는 “나노소재들 간에 다양한 상호작용을 이해하고 잘 활용하면 정교한 3차원 나노구조체를 손쉽게 만들 수 있다”며, “광소자, 바이오소자, 전자소자, 에너지소자 등 광범위한 분야에 다양하게 활용될 수 있을 것”이라고 연구의의를 밝혔다.
/ 아이애드피알 인터넷부 엄재성 A.E. news@iadpr.net/
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| 기사입력: 2015/03/17 [16:04] 최종편집: ⓒ iadpr.net |
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