한국과학기술원(KAIST) 전기및전자공학부 김용훈 교수 연구팀이 저차원 페로브스카이트 나노소재의 새 물성을 밝히고 이를 이용한 새로운 비선형 소자 구현 방법을 제시했다. 연구팀은 최근 태양전지, 발광다이오드(LED) 등 광소자 응용의 핵심 요소로 주목받는 페로브스카이트 나노소재가 차세대 전자 소자 구현에도 유망함을 증명했다. 또한 초절전, 다진법 전자 소자 구현에 필요한 부성 미분 저항 소자를 구현하는 새로운 이론적 청사진을 제시했다. 무하메드 칸 박사후연구원과 이주호 박사과정이 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 1월 7일자 온라인판에 게재됐고, 표지논문으로 선정돼 출간될 예정이다. 유무기 하이브리드 할로겐화 페로브스카이트 물질은 우수한 광학적 성능뿐만 아니라 저비용의 간편한 공정으로 제작할 수 있어 최근 태양전지 및 LED 등 다양한 광소자 응용 분야에서 주목받고 있다. 그러나 할로겐화 페로브스카이트의 전자 소자 응용에 관한 연구는 세계적으로도 아직 부족한 상황이다. 김 교수 연구팀은 최근 새롭게 제조 기술이 개발되고 양자효과가 극대화되는 특성을 가진 저차원 유무기 할로겐화 페로브스카이트 물질에 주목했다. 연구팀은 슈퍼컴퓨터를 활용해 우선 1차원 페로브스카이트 나노선의 유기물을 벗겨내면 기존에 보고되지 않은 준 금속성 특성을 발현할 수 있다는 것을 발견했다. 이 1차원 무기 틀을 전극으로 활용해 단일 페로브스카이트 나노선 기반의 터널링 접합 소자를 제작하면 매우 우수한 비선형 부성미분저항(negative differential resistance, NDR) 소자를 구현할 수 있음을 확인했다. 부성미분저항은 일반적인 특성과는 반대로 특정 구간에서 전압이 증가할 때 전류는 오히려 감소해 전류-전압 특성 곡성이 마치 알파벳 ‘N’모양처럼 비선형적으로 나타나는 현상을 말한다. 차세대 소자 개발의 원천기술 이 되는 매우 중요한 특성이다. 연구팀은 나아가 이 부성미분저항 특성은 기존에 보고된 바 없는 양자 역학적 혼성화(quantum-mechanical hybridization)에 기반을 둔 새로운 부성미분저항 원리에 기반함을 밝혀냈다. 연구팀은 저차원 할로겐화 페로브스카이트의 새로운 구조적, 전기적 특성을 규명했을 뿐 아니라 페로브스카이트 기반의 터널링 소자를 이용하면 획기적으로 향상된 부성미분저항 소자 특성을 유도할 수 있음을 증명했다. 김 교수는 “양자역학에 기반한 전산모사가 첨단 나노소재 및 나노소자의 개발을 선도할 수 있음을 보여준 연구”라며 “특히 1973년 일본의 에사키(Esaki) 박사의 노벨상 수상 주제였던 양자역학적 터널링 소자 개발의 새로운 방향을 제시한 연구이다”라고 말했다. 이번 연구는 미래창조과학부 중견연구자지원사업, 나노소재원천기술개발사업, 기초연구실지원사업, 글로벌프론티어사업의 지원을 받아 수행됐다. seokjang@fnnews.com 조석장 기자

국내연구진이 휘어지는 유기태양전지 소재를 고가의 인듐소재가 아닌 은나노선(Ag nanowire)을 대량 합성하여 저가로 생산하는 기술을 개발했다. 기존 인듐 전지보다 30%이상 효율이 높고 기존 투명전극보다 전극의 단가를 60% 이상 낮출 수 있어 휘어지는 전자기기에 널리 사용될 수 있을 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST) 광전소재연구단 오영제 박사팀은 그동안 가격이 비싸 사용이 제한되었던 은나노선을 저가의 양산화 기술로 자체 개발하여 한국과 미국에 특허로 등록했다고 21일 밝혔다. 아울러 연구팀은 현재 널리 상용되고 있는 인듐주석산화물(ITO) 투명전극을 대체 할 수 있는 은나노선 기반의 유기태양전지의 향상된 성능을 검증함으로써 광변환 효율이 향상되는 원리도 규명했다. 투명전극이란 광 투과성과 전기전도성이 동시에 있는 전극. 산화 주석, 산화 인듐, 백금, 금 등의 박막을 유리에 피복한 것이 사용된다. 생체 관련 물질의 산화-환원 거동과 각종 재료의 일렉트로크로미즘, 태양전지와 투명소자, 액정표시 패널용 등에 필수적으로 쓰이는 전극이다. 연구팀에 따르면 휘어지는 유기태양전지를 만들기 위해서는 높은 전기전도성과 유연성을 동시에 갖는 투명한 전극이 필요하다. 그러나, 기존 투명전극은 고가 인듐(In)의 한정된 자원과 고진공설비로 인하여 가격이 높고 유연성도 낮은 것이 단점으로 지적돼 왔다. 이런 이유로 성능과 비용, 유연성 측면에 장점이 있는 탄소나노튜브(CNT), 그래핀, 산화아연(ZnO) 등과 각각의 장점을 복합한 하이브리드형 전극 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 이에 연구팀은 은(Ag)을 변형해 태양전지에 사용했다. 은나노선이 포함된 용액을 플라스틱 기판에 코팅하는 방식의 저렴한 용액 공정을 활용하여 대면적 투명전극을 생산했다. 개발한 기술은 대면적으로 제작이 가능하고 저가인데다 유연성이 높아 휘어지는 태양전지에 적합하다. 뿐만 아니라 은나노선 투명전극의 낮은 표면 거칠기와 우수한 전기적, 광학적 특성으로 인해 플렉시블 디스플레이, 터치스크린 판넬 및 OLED 등 많은 유연한 전자소자에 다양하게 적용될 수 있어 인듐주석산화물을 대체할 투명전극 사업화에 적합한 기술로 평가받고 있다. bbrex@fnnews.com 김혜민 기자

KAIST는 물리학과 장기주 특훈교수팀이 미래 차세대 반도체 소자 소재로 기대를 모으고 있는 실리콘 나노선의 전기 흐름과 직접 연관이 있는 불순물 특성을 알아냈다고 22일 밝혔다. 장 교수 연구팀은 산화 처리된 실리콘 나노선에서 전기를 흐르게 하기 위해 첨가한 불순물 붕소(B), 인(P) 등의 움직임과 비활성화를 일으키는 메커니즘을 세계 최초로 규명했다. 현재 최첨단 기술로도 10㎜(나노미터) 이하의 실리콘 기반 반도체 제작은 불가능한 것으로 알려져 있지만 실리콘 나노선은 굵기가 수 나노미터이기 때문에 반도체를 만들 수 있다. 실리콘 나노선은 원래 전기가 흐르지 않는데 반도체 소자로 적용하려면 인, 붕소와 같은 불순물을 소량 첨가해 전기가 흐를 수 있도록 해야 한다. 그러나 덩어리 형태의 기존 실리콘에 비해 나노선에서는 불순물 첨가가 어려울 뿐 아니라 전기전도 특성을 조절하기 어려운 문제가 있었다. 장 교수 연구팀은 이번 연구를 위해 단순 모형을 이용한 기존 이론을 개선한 양자시뮬레이션 이론을 고안해 실제와 매우 가까운 원자 모델을 만들었다. 이를 통해 실리콘 코어 내부에 첨가된 붕소 불순물이 산화과정에서 코어를 싸고 있는 산화물 껍질로 쉽게 빠져나가는 원인을 세계 최초로 규명하는 데 성공했다. 이와 함께 인 불순물은 산화물로 빠져나가지 못하지만 서로 전기적으로 비활성화 된 쌍을 이루면서 효율을 감소시킨다는 사실도 밝혔다. 이 현상은 나노선이 필름 형태로 돼 있는 기존 실리콘에 비해 같은 부피라도 표면적이 더 넓기 때문에 더욱 심각한 문제를 일으킨다고 연구팀은 이번 연구에서 입증했다. 장기주 교수는 "이번 연구방법은 실리콘과 산화물 사이의 코어-쉘 나노선 모델을 구현하는 이론 연구의 기본 모형으로 받아질 것으로 기대된다"며 "특히 10㎜급 수준의 소자 연구에서 실리콘 채널을 산화물로 둘러 싼 3차원 원자구조를 구현해 소자 특성을 밝히는 데 커다란 도움이 될 것"이라고 말했다. 이번 연구결과는 나노과학분야 세계적 학술지인 '나노레터스(Nano Letters)' 9월 17일자 온라인 판에 게재됐다. true@fnnews.com 김아름 기자

　머리카락 굵기의 실리콘 나노선을 이용해 태양광을 전기로 변환할 수 있는 '고효율 태양전지'가 국내 연구자의 주도로 개발됐다. 이 태양전지는 미래 대체 에너지원 확보에 새로운 가능성을 제시했다는 평가를 받고 있다. 　교육과학기술부는 고려대학교 물리학과 박홍규 교수(사진) 연구팀이 미국 하버드대 찰스 리버 교수 연구팀과 함께 단결정 실리콘 나노선을 대량합성, 이 나노선으로 기존 나노선 태양전지의 효율을 6% 이상 높인 태양전지를 개발했다고 2일 밝혔다. 　단결정 실리콘 태양전지는 에너지 효율이 높아 차세대 에너지원으로 각광받고 있지만 모든 태양광을 흡수하려면 두꺼운 실리콘 밴드가 필요해 비경제적인 단점이 있었다. 　연구팀은 단결정 실리콘 나노선을 이용해 기존보다 두께가 100배 이상 얇은 300㎚(1㎚는 10억분의 1m) 나노 태양전지를 개발하는 데 처음으로 성공했다. 또한 특정 파장에서 입사되는 빛이 표면에서 반사되지 않고 대부분 흡수되는 나노선 고유의 특성(공명)을 이용해 태양광의 수집 효율을 2배 이상 끌어올렸다. 　박 교수는 "하버드대 연구팀과의 공동 연구를 통해 경제적이면서 효율도 높은 태양전지를 대량 생산할 수 있는 길이 열렸다"며 "향후 태양전지 산업에 다각적으로 활용될 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다. pado@fnnews.com 허현아 기자

나노미터(1nm는 10억분의 1m·머리카락 굵기의 10만분의 1) 수준의 직경을 지닌 전자빔으로 나노선의 특성을 정밀조절할 수 있는 기술을 국내 연구진이 개발했다. 교육과학기술부와 한국연구재단은 고려대학교 주진수 교수가 직경이 나노미터 수준으로 초점화된 전자빔을 유기 또는 무기 나노선의 원하는 위치에 주입해 노노선의 전기적 또는 광학적 특성을 정밀 조절할 수 있는 기술을 개발했다고 30일 밝혔다. 연구팀에 따르면 이 기술은 용액을 이용한 산화·환원 기술에 비해 화학약품에 의한 오염이 적고 나노 규모로 미세처리가 가능한 것이 특징이다. 물질과 전자빔 사이의 상호작용에 의해 물질의 종류가 바뀌는 기존 전자빔 기술과 달리 나노선의 상태를 유지하면서 원하는 위치의 적기적, 광학적 물성만을 선택해 정밀하게 개질할 수 있다는 차이점이 있다. 특히 전자빔의 직경, 에너지, 밀도 등을 조절해 개질 부분의 위치, 폭, 개수 등과 발광 색, 밝기 등을 정량적으로 조절할 수 있다. 주진수 교수는 “발광 특성이 정밀 제어된 유기 또는 무기 초격자 형태 나노선을 각종 나노제품 인지 바코드와 나노광다이오드에 응용할 수 있을 것”이라고 전망했다. 이번 연구결과는 독일에서 발간되는 화학분야의 세계적 학술지 ‘앙게반테 케미 국제판’ 최신호 3월 14일자에 게재됐다. /pado@fnnews.com 허현아기자

나노미터(1nm는 10억분의 1m·머리카락 굵기의 10만분의 1) 수준의 직경을 지닌 전자빔으로 나노선의 특성을 정밀조절할 수 있는 기술을 국내 연구진이 개발했다. 교육과학기술부와 한국연구재단은 고려대학교 주진수 교수가 직경이 나노미터 수준으로 초점화된 전자빔을 유기 또는 무기 나노선의 원하는 위치에 주입해 나노선의 전기적 또는 광학적 특성을 정밀 조절할 수 있는 기술을 개발했다고 30일 밝혔다. 연구팀에 따르면 이 기술은 용액을 이용한 산화·환원 기술에 비해 화학약품에 의한 오염이 적고 나노 규모로 미세 처리가 가능한 것이 특징이다. 물질과 전자빔 사이의 상호작용에 의해 물질의 종류가 바뀌는 기존 전자빔 기술과 달리 나노선의 상태를 유지하면서 원하는 위치의 적기적·광학적 물성만을 선택해 정밀하게 특성을 변화시키는 차이점이 있다. 특히 전자빔의 직경, 에너지, 밀도 등을 조절해 특성을 변화시키는 부분의 위치, 폭, 개수 등과 발광 색, 밝기 등을 정량적으로 조절할 수 있다. 주진수 교수는 “발광 특성이 정밀 제어된 유기 또는 무기 초격자 형태 나노선을 각종 나노제품 인지 바코드와 나노광다이오드에 응용할 수 있을 것”이라고 전망했다. 이번 연구 결과는 독일에서 발간되는 화학분야의 세계적 학술지 ‘앙게반테 케미 국제판’ 최신호 3월 14일자에 게재됐다. /pado@fnnews.com허현아기자

국내 연구진이 나노선(nanowire)의 성장 메커니즘을 세계 최초로 규명했다. 포스텍(포항공과대)은 신소재공학과 오상호 교수(36)가 사파이어 나노선의 VLS(Vapor-Liquid-Solid) 성장 현상을 실시간으로 관찰하고 이를 바탕으로 나노선이 기존 학계의 예측과는 전혀 다른 방식으로 성장한다는 사실을 규명했다. 이 연구논문은 사이언스 21일자(현지시간)에 게재됐다. 트랜지스터, 메모리, 화학감지용 센서 등 다양한 분야에 활용되는 나노선은 제조 및 응용기술이 활발하게 연구되는 것과는 달리 원자들이 나노선으로 성장하는 메커니즘에 대해서는 여러 실험적 제약으로 지금까지 명확하게 밝혀지지 않았다. 오 교수는 원자들의 이동경로를 나노선 성장조건에서 직접 관찰하기 위해 투과전자현미경 안에서 실제로 실험을 진행하는 ‘직접 관찰 투과전자현미경(in-situ TEM)’ 실험법을 사용해 사파이어 나노선을 투과전자현미경 내에서 VLS 방식으로 성장시키고 이 과정을 원자분해능으로 관찰했다.  ▲ 나노선의 성장이 이루어지는 단계를 보여주는 고분해능 투과전자현미경 사진. 오상호 교수가 규명하기 전까지는 원자들이 나노선으로 성장하는 메커니즘에 대해서는 여러 실험적 제약으로 지금까지 명확하게 밝혀진 바가 없었다. 그 결과 액체 전체에서 고체가 결정화되는 것이 아니라 기체와 액체, 고체가 만나는 삼중점에서 성장과 용해 반응이 반복되고 이 과정에서 성장 중인 사파이어 나노선에 산소가 순차적으로 공급되며 결정화되는 현상이 관찰됐다. 이 반응은 수 나노미터 영역에서 단 1초의 주기에 걸쳐 이뤄지기 때문에 원자분해능으로 실시간 관찰하지 않으면 발견할 수 없으며 지금까지 이론적으로도 예상하지 못한 전혀 새로운 성장 경로라고 오 교수는 설명했다. 오 교수는 “부분적으로 성장과 용해를 반복하는 반응을 거쳐 산소가 나노선의 성장 결정면으로 공급된다는 것은 성장에 필요한 에너지의 불필요한 소비를 최소화한다는 것을 알수 있다”며 “이번 연구는 사파이어를 이용했다는 한계가 있으나 반도체에 흔히 사용되는 실리콘 나노선 등의 성장 메커니즘 규명에 단초를 제공했다고 볼 수 있다”고 말했다. /kueigo@fnnews.com김태호기자 ■VLS(Vapor-Liquid-Solid)=나노선 성장에 이용하는 방식으로 액체와 기체를 만나게 해 자연적으로 고체를 형성하도록 하는 방식으로 나노선을 성장시키며 주로 고온에서 이뤄진다. ■직접 관찰 투과전자현미경 방식=투과전자현미경 내에서 실제 실험을 진행하며 원자 움직임, 미세구조의 변화, 물리적 특성 등을 관찰 또는 측정하는 방법으로 나노연구의 활성화와 더불어 전 세계적으로 주목받는 분야다.

국내 연구진이 나노선(nanowire)의 성장 메커니즘을 세계 최초로 규명했다. 포스텍(포항공과대)은 신소재공학과 오상호 교수(36)가 사파이어 나노선의 VLS(Vapor-Liquid-Solid) 성장 현상을 실시간으로 관찰하고 이를 바탕으로 나노선이 기존 학계의 예측과는 전혀 다른 방식으로 성장한다는 사실을 규명했다. 이 연구논문은 사이언스 21일자(현지시간)에 게재됐다. 트랜지스터, 메모리, 화학감지용 센서 등 다양한 분야에 활용되는 나노선은 제조 및 응용기술이 활발하게 연구되는 것과는 달리 원자들이 나노선으로 성장하는 메커니즘에 대해서는 여러 실험적 제약으로 지금까지 명확하게 밝혀지지 않았다. 오 교수는 원자들의 이동경로를 나노선 성장조건에서 직접 관찰하기 위해 투과전자현미경 안에서 실제로 실험을 진행하는 ‘직접 관찰 투과전자현미경(in-situ TEM)’ 실험법을 사용해 사파이어 나노선을 투과전자현미경 내에서 VLS 방식으로 성장시키고 이 과정을 원자분해능으로 관찰했다.  ▲ 나노선의 성장이 이루어지는 단계를 보여주는 고분해능 투과전자현미경 사진. 오상호 교수가 규명하기 전까지는 원자들이 나노선으로 성장하는 메커니즘에 대해서는 여러 실험적 제약으로 지금까지 명확하게 밝혀진 바가 없었다. 그 결과 액체 전체에서 고체가 결정화되는 것이 아니라 기체와 액체, 고체가 만나는 삼중점에서 성장과 용해 반응이 반복되고 이 과정에서 성장 중인 사파이어 나노선에 산소가 순차적으로 공급되며 결정화되는 현상이 관찰됐다. 이 반응은 수 나노미터 영역에서 단 1초의 주기에 걸쳐 이뤄지기 때문에 원자분해능으로 실시간 관찰하지 않으면 발견할 수 없으며 지금까지 이론적으로도 예상하지 못한 전혀 새로운 성장 경로라고 오 교수는 설명했다. 오 교수는 “부분적으로 성장과 용해를 반복하는 반응을 거쳐 산소가 나노선의 성장 결정면으로 공급된다는 것은 성장에 필요한 에너지의 불필요한 소비를 최소화한다는 것을 알수 있다”며 “이번 연구는 사파이어를 이용했다는 한계가 있으나 반도체에 흔히 사용되는 실리콘 나노선 등의 성장 메커니즘 규명에 단초를 제공했다고 볼 수 있다”고 말했다. /kueigo@fnnews.com김태호기자 ■VLS(Vapor-Liquid-Solid)=나노선 성장에 이용하는 방식으로 액체와 기체를 만나게 해 자연적으로 고체를 형성하도록 하는 방식으로 나노선을 성장시키며 주로 고온에서 이뤄진다. ■직접 관찰 투과전자현미경 방식=투과전자현미경 내에서 실제 실험을 진행하며 원자 움직임, 미세구조의 변화, 물리적 특성 등을 관찰 또는 측정하는 방법으로 나노연구의 활성화와 더불어 전 세계적으로 주목받는 분야다.

전기자동차 상용화를 위한 가장 큰 걸림돌인 배터리 문제가 국내 연구진에 의해 해결될 것으로 기대된다. 한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 김도경 교수팀은 ‘리튬망간산화물 미세나노선’ 을 개발하는 데 성공했다고 15일 밝혔다. 이 물질은 기존의 리튬이온 이차전지용 양극물질에 비해 100배 이상의 출력밀도를 나타내며 제조기법이 단순하고 공정비용도 저렴해 앞으로 전기자동차용 배터리 분야에 폭넓게 이용될 수 있을 것으로 기대된다. 김 교수팀은 10nm(10억분의 1m) 미만 굵기의 미세나노선 구조를 대량 합성해 양극물질에 적용해 기존 리튬이온 이차전지보다 100∼200배가량 높은 출력밀도를 나타내는 데 성공했다. 이는 엔진으로 사용되는 내연기관의 출력밀도에 근접한 수준이다. 지금까지 개발된 리튬이온 이차전지는 내연기관의 출력밀도에 훨씬 미치지 못해 중량이 많이 나간다. 또한 원료와 공정법도 고비용이라는 문제가 있다. 높은 출력밀도를 보인 리튬망간산화물 미세 나노선 제조에 관한 연구는 산업적 응용이 조기에 가능할 것으로 예상되며, 국가 과학기술 경쟁력 제고 측면에 기여할 것으로 기대된다. 이번 연구 결과는 나노기술(NT) 분야의 권위 있는 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 8월 26일자 온라인 판에 게재됐고 현재 국내특허 출원 중이다. /kueigo@fnnews.com김태호기자  

금속과 비금속의 특성을 함께 나타내 기존 반도체 소자의 성능을 획기적으로 개선시킬 수 있는 ‘절반-금속 (half-metallic) 강자성 규화금속 나노선’이 개발됐다. 교육과학기술부는 ‘21세기 프론티어사업 나노소재기술개발사업단’의 지원을 받는 김봉수 교수(KAIST 화학과)팀이 절반-금속성을 갖는 규화철 나노선을 최초로 합성, ‘차세대 스핀전자공학’에 필수적인 스핀 주입(spin injection) 물질을 개발했다고 20일 밝혔다. 스핀주입이란 외부의 전기장이나 자기장에 의해 물질 내 전자의 자기적 특성(스핀)을 조절하는 것으로 이번에 개발된 규화철 나노선은 한 방향 스핀을 갖는 전자들에게는 전도성 금속으로 작용하고 그 반대방향 스핀을 갖는 전자에게는 절연체로 작용해 한 가지 스핀방향만을 가지는 전류를 만들어 낼 수 있다. 이런 기능은 정보신호로 변환이 가능하기 때문에 이 나노선으로 고성능, 고집적, 저전력 특성을 가지는 전자소자를 만들면 현재 실리콘 반도체의 한계를 극복할 수 있다. 김 교수팀은 기존에 개발한 규화철(FeSi) 나노선에 산소기체를 도입한 간단한 열확산 법을 이용, 매우 높은 온도에서도 강자성을 유지하고 높은 스핀편극도를 가지는 절반-금속 강자성 규화철(Fe3Si) 나노선으로 변환시켰다. 또한 같은 방법으로 규화코발트(Co2Si) 나노선을 변환시켜 최초로 단결정 코발트(Co) 나노선을 합성하는 등 소재의 조성을 조절하는 합성법의 일반화에도 성공했다. 김 교수팀이 개발한 강자성 규화철(Fe3Si) 나노선은 나노 소자 제작을 위한 기본 소재로 활용될 수 있어 효율적이고 소형화된 초고성능 자기 메모리 및 거대 자기저항(GMR) 센서의 개발이 가능해졌다. 이에 따라 양자 메모리 처리와 고주파 전자통신 소자 등 다양한 나노 소자 개발에 기술적 발판이 마련된 셈이다. 한편 이번 연구결과는 이달초 ‘나노 레터’지에 온라인 게재됐으며 현재 국내 특허 출원 중이다. /kueigo@fnnews.com김태호기자