나노 강국 코리아
광전소자 개발 등 잇단 성공으로 선두 안착
대한민국 나노기술이 반가운 소식을 내놓고 있다. 한국기계연구원은 나노 구조체를 활용한 차세대 광전소자 개발에 성공했다는 낭보를 알려왔고, 광주과학기술원도 차세대 리튬이차전지에서 각광을 받고 있는 나노구조 실리콘 전극 기술을 확보했다고 전했다. 성균관대에서는 그래픽과 금나노입자를 이용한 비휘발성 메모리소자 개발에 이름을 올리는 등 세계 나노기술 분야를 한국이 발빠르게 선점하고 있다. 국제표준화기구인 IEEE가 최근 우리나라에 나노기술과 관련한 표준협력MOU를 체결하자고 손을 내밀 만한 이유가 충분하다. 한국기계연구원, 광주과학기술원, 성균관대에서 개발한 나노기술을 살핀다.
김유활 기자 (yhkim@chomdan.co.kr)
태양전지나 LED, 디스플레이, 조명기기 등을 제작 하는 데 투입되는 비용과 기간을 줄일 수 있다면, 그 리고 성능까지 우수하다면, 그 원천기술은‘황금어 장’이다. 그 황금어장을 한국기계연구원 나노역학기 술실 김준동 박사팀이 만들었다. 김준동 박사팀은 최근 돌기 형상의 나노구조체를 활용해 태양전지 등의 효율을 높일 수 있는 차세대 광 전소자 개발에 성공했다.
김 박사팀은‘고성능 투명전 극 기술 선행 연구’에서 최준혁 박사팀, 한양대 이정 호 교수팀과 협력, 돌기 형상의 대면적 나노구조체에 고성능 투명전극을 입혀 입사광 이용면적을 10만 배 이상 획기적으로 늘린 광전소자를 개발한 것이다.
나노구조체를 활용한 차세대 광전소자
나노구조체(Nanostructures)는 머리카락 지름의 100분의 1에서 1000분의 1 정도인 1μm 이하의 크기 로 동일한 부피에 나노구조체를 형성하면 표면적이
나노구조체(Nanostructures)는 머리카락 지름의 100분의 1에서 1000분의 1 정도인 1μm 이하의 크기 로 동일한 부피에 나노구조체를 형성하면 표면적이 획기적으로 증가한다. 광전소자(photoelectronic device)는 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 소자로 태양전지, LED, 디스플레이, 조명기기 등의 제작에 근간이 된다. 현재까지 개발된 광전소자는 크기가 작은 나노구조 체에 일일이 전류를 통하게 해야 하는 등 미세하고 까 다로운 공정이 필요해 상용화에 어려움이 있었다.
그러나 이번에 새로 개발된 광전소자는 전극을 지니는 고성능 물질을 플라즈마 증착 기술로 나노구조체의 돌기에 입혀 대면적 나노구조체 공정에 활용할 수 있 다. 관련 업체들은 이에 따라 20~30%에 이르는 생산 비용을 절감할 수 있게 된다. 이번 광전소자 기술은 현재 국내 특허가 출원됐고, 연구의 결과는 최근 미국의 전문저널인『Applied
Physics Letters』에 발표됐다. 김 박사팀은 이번 기술 을 활용한 태양전지의 효율 향상에 대한 연구도 진행 중이다. 김준동 박사는“이번 기술 개발로 향후 태양전지나 LED, 디스플레이, 조명기기 등의 제작에 새 장이 열 릴 것”으로 기대하며“새로 개발된 광전소자는 특히 저비용 고효율 태양전지 개발의 근간이 될 것”이라고 설명했다.
나노구조 실리콘 전극
리튬을 이용한 이차전지의 차세대 전극물질로 각광 받고 있는 나노구조 실리콘 전극 개발도 국내 연구진 이 일궈낸 큰 성과라는 평가를 받고 있다. 리튬 이차전지는 이차전지 시장의 대부분을 차지하 는 전지로, 한 번 쓰고 버리는 일차전지와는 달리 외 부 전원을 이용해 충전해서 반영구적으로 사용할 수 있는 그린 에너지의 핵심이다. 리튬(가장 가벼운 금속 원소, 원소기호 3번)이 포함되어 있는 전해질을 사용 하여 높은 용량과 높은 전압 값을 유지하고 자기방전 이 적고 수명이 긴 특징을 가지고 있다.
이 기술 개발에 성공한 광주과학기술원(GIST) 김원 배 교수와 남상훈 박사가 주도하고 정건영 교수가 참 여한 이번 연구 결과는 나노과학 분야의 권위 있는 학 술지인『나노 레터스』(Nano Letters)의 온라인 속보 에 게재될 만큼 세계적으로 관심을 끌었다. 김원배 교수 연구팀은 나노박막 실리콘을 패턴 공 정기술로 변화시킨 후, 구조별 리튬 저장 특성과 차이 점을 체계적으로 연구했다.
실리콘은 상용 리튬 이차 전지의 음극소재로 사용되는 흑연보다 용량이 10배 이상 큰 차세대 전극물질이지만, 리튬과 만나면 부피 가 4배가량 팽창되어 리튬의 저장 능력을 급격히 감 소시킨다는 단점이 제기됐다. 차세대 리튬 이차전지용 전극소재를 연구하는 전 세계 연구자들은 실리콘의 형태나 크기 등을 바꾸어 나노실리콘(나노관, 나노구, 나노선, 나노기둥, 나노 우물 등)의 흑연 대체 가능성을 꾸준히 제시해 왔다. 그러나 지금까지 나노 전극구조의 배열, 크기, 형태 등을 정형화하고 각 구조별 전극 특성과 구조별 차이 점을 체계적으로 고찰한 연구는 미비했다.
연구팀은 이에 착안해 규칙적으로 배열된 나노 패 턴의 구조조정이 가능한 레이저 간섭 리소그래피(형 성시킨 빛의 간섭패턴을 규칙적인 패턴으로 형성시키 는 기술)를 이용해 전극물질의 접촉 면적과 부피를 조 절하고, 여러 구조 형상(나노박막, 나노우물, 나노기 둥 등)에 따른 리튬의 저장 특성과 전자 전달의 효율 변화를 정량적으로 분석하는 데 성공했다.
김 교수팀이 실리콘 박막에 형성한 나노구조 실리 콘 전극(나노기둥과 나노우물 패턴구조)은 전해액과 의 접촉 면적이 넓고 전극내부의 전자전달이 우수하 여 용량과 성능이 크게 향상됐다. 연구팀이 개발한 나노구조 실리콘 전극으로 리튬 이차전지를 제작한 후 평가한 결과, 현재 사용되고 있 는 흑연에 비해 8배가량 용량이 증가한 것으로 나타 났다.
또한, 나노구조가 없는 일반 실리콘 전극 과 비교해도 용량이 2 배 이상 증가되었고, 충·방전 특성 및 수명 도 크게 향상됐다. 김원배 교수는“리튬 이차전지의 차세대 음 극소재로 알려진 실리 콘의 나노구조별 리튬의 저장 특성을 연구 한 이번 연구결과는 차세대 리튬 이차전지 뿐만 아니라 에너지 전환장치에도 다양하 게활용될수있을것”으로 기대하고 있다.
금나노입자 활용한 메모리 소자
전 세계적으로 각광받는 금나노입자와 그래핀(Graphene)을 활용해 제작된 비휘 발성 메모리 소자(Non-volatile Memory Devices, 전원이 공급되지 않아도 저장된 정보를 계속 유지하는 컴퓨터 메모리)도 최 근 국내 기술로 개발됐다. 면적당 초고밀도 집적이 가능하고, 자유자재로 휘어지는 모 니터, 분자컴퓨터, 태양전지 등 다양한 분 야에서 활용할 수 있는 비휘발성 메모리 소 자이다. 그래핀은 육각형 구조로 탄소와 탄 소간 공액 결합으로 연결되어 있는 하나의 층을 말한다. 높은 전도성 및 전하 이동도 를 갖기에 향후 응용 가능성이 매우 높은 물질이다.
성균관대 이효영 교수가 주도한 이번 연구 결과도 나노화학 분야의 권위있는 학술지인『ACS NANO』 (에이시에스 나노) 온라인으로 게재될 정도로 전문가 들의 관심을 받았다. 이효영 교수 연구팀이 개발한 메모리 소자는 메모 리 반도체 소자를 구성하는 소스-채널-드레인 배열 에서 수직 구조와 수평 구조가 모두 가능한 메모리 소 자이다. 그래핀 채널과 금 나노입자와의 화학적 결합 을 통해 비활성 메모리 특성이 뛰어나고 안정된 소자 제작이 가능하여 다른 비휘발성 메모리 소자에도 다 양하게 활용될 수 있는 것이 특징이다. 안정적이고 단단한 그래핀 채널을 이용한 메모리 소자는 향후 무기반도체 기술의 뒤를 이을 새로운 메 모리 소자로서 가능성을 보여주며 단위 면적당 초고 밀도 집적이 가능하고, 다양한 물질(유기 화합물, 고 분자, 금속)을 이용해 응용할 수 있는 장점이 있어 수
많은 연구자들이 그래핀을 이용한 메모리 소자 개발 을 위해 노력해 왔다. 이효영 교수는“현재 메모리 시장을 주도하는 우리 나라가 차세대 메모리 분야에서 지속적으로 우위를 선점하기 위해서는 다양한 형태의 차세대 비휘발성 메모리 소자개발이 중요하다”고 강조했다. 그는 또 “이번 연구는 그래핀을 채널로 활용해 금 나노입자를 화학적으로 붙인 후 비휘발성 메모리 특성을 나타낸 최초의 저분자 메모리 소자로서, 자유자재로 휘어지 는 모니터, 분자컴퓨터 및 태양전지 등에도 다양하게 응용될수있을것”으로 기대했다.
한편, IEEE는 최근 지식경제부 기술표준원에게 나 노기술 관련 표준협력과 관련한 MOU 체결을 제의했 다. 나노기술을 비롯해 스마트그리드, 3D, LED 등 융 합신산업 분야에서 상호 협력키로 한 것이다. 이에 따 라 양 기관은 협력 분야 발굴과 이행을 위한 전문가 교류를 활성화하기로 했다
