방향성 오스트왈드 라이프닝 원리 이용
나노와이어 상용화를 위한 숙제 해결
[기계신문] 최근 다양한 분야에서 초소형 회로를 개발하는 데에 대한 관심이 늘어남에 따라 나노 크기의 나노와이어를 보다 정밀하고 균일하게 정렬시키기 위한 공정 기술 개발에 대한 필요성이 대두되고 있다.
기존 회로를 구성하는 금속 및 유전체 배선들과 달리, 나노미터 크기 제어로 회로를 제작하기 위해서는 나노와이어를 정확하게 위치시키고 배열해야 할 뿐만 아니라 균일한 직경과 길이를 갖는 나노와이어를 성장시킬 수 있는 공정이 절실하다.
한국과학기술연구원(KIST) 광전소재연구단 최원준 박사, 울산과학기술원(UNIST) 백정민 교수, 이화여대 김명화 교수 공동연구팀은 단결정 이산화바나듐(VO2) 나노와이어를 정확하게 배치 및 정렬하는 공정 기술을 개발했다.
나노와이어는 단면의 지름이 나노미터 수준인 선 구조를 갖는 물질이다. 전기적으로 뛰어난 특성을 보이며, 표면적이 넓어서 태양전지나 센서에 사용할 경우 효율이 뛰어나다. 또한, 초소형 회로를 제작하는 데에도 쓰일 수 있다. 최근 광전, 에너지 변환, 가스·바이오 센서 등의 분야에 나노와이어를 결합하고 있으며, 세계를 변화시킬 10대 신기술 가운데 하나로 꼽히기도 한다.
하지만 이러한 많은 장점이 있음에도 나노와이어는 아직 상용화되지 못했다. 나노미터 수준의 회로를 제작하기 위해서는 나노와이어를 정확하게 배치하고, 정렬할 수 있어야 하는데, 아직은 원하는 밀도나 위치를 제어할 수 있는 기술이 없기 때문이다. 나노와이어의 상용화를 위해서는 고도로 균일한 치수로 나노와이어를 생산할 수 있는 공정이 절실했다.
공동연구팀은 이러한 기술적 한계를 극복하기 위해 기존 연구들을 분석하여 밀리미터 길이의 나노와이어를 정렬시키는 데 성공했다. 특정 패턴을 갖는 표면 위에서 나노물질(오산화바나듐, VO5)을 녹이면 액체 방울들로 분리되는데, 이때 특정 방향으로 나노 액체 방울들이 스스로 정렬되는 현상을 이용하여 고도로 균일하고, 정렬된 밀리미터 크기의 단결정 이산화바나듐(VO2) 나노와이어를 성공적으로 형성시켰다. 연구팀은 이 현상을 ‘방향성 오스트왈드 라이프닝’이라고 정의하였다.
오스트왈드 라이프닝(Ostwald Ripening)은 사이즈가 큰 파티클의 에너지 상태가 사이즈가 작은 파티클보다 낮아 사이즈가 작은 파티클은 액체상태로 녹아들어가는 반면, 큰 파티클은 점점 더 크기가 성장한다는 이론이다.
상온에서는 반도체인 이산화바나듐은 특정 온도가 되면 금속처럼 저항이 급격하게 감소하는 특성이 있다. 연구팀은 이 특성을 이용하여 고도로 정렬된 밀리미터 크기의 이산화바나듐 나노와이어 변형 센서도 개발하였다. 제작된 변형 센서는 단결정 나노와이어의 특성으로 인해 높은 민감도와 빠른 반응 속도를 갖는다.
KIST 최원준 박사는 “이번 성과는 이제까지 알기 어려웠던 산화바나듐 단결정 생성에 대한 이해를 높였을 뿐만 아니라, 다양한 종류의 단결정 산화바나듐 나노와이어를 이용한 웨어러블 복합센서 제작에 중요한 계기가 될 것”이라고 밝혔다.
이번 단결정 나노와이어를 정렬 및 배치할 수 있는 공정 기술 개발로 지속적인 재료 및 공정의 최적화를 나노미터 크기의 초소형 회로를 개발하는 데에 공정 기술로써 적용이 가능해졌다.
또한 손가락 및 발가락의 움직임 변화를 감지하는 모션 센서로의 응용으로 운동 시 신체 관절 및 근육의 이완과 수축 정도, 운동량 등을 체크할 수 있는 스마트 운동복 등으로 활용할 수 있다. 이는 인간 움직임 감지뿐만 아니라, 민감도 및 규격 조절을 통해 대면적 스트레인 센서 어레이 제작부터 기기 설비의 미세 균열 감지기 등 다양한 분야에서 활용 가능하다.
따라서 나노미터 크기의 초소형 회로를 개발하는 데에 지속적인 최적화 공정을 통해 핵심 기술로 적용이 되거나 또는 다른 공정 기술 개발을 위한 실마리가 될 수 있을 것으로 기대된다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원 아래 KIST-UNIST-Ulsan Center(KUUC) 과제와 한국연구재단 및 국토교통과학기술진흥원 사업으로 수행되었으며, 연구결과는 나노소재분야 국제 저널인 ‘Nano Letters’ 최신호에 게재되었다.