열처리 나노와이어를 유연 기판에 전사해 몰드로 찍어 내는 기술이 개발됐다. 나노와이어를 사용하는 고성능 웨어러블 소자와 에너지 수확 소자 제작이 한결 쉬워질 전망이다.
KAIST(총장 강성모) 윤준보 전기 및 전자공학부 교수팀은 고온 열처리 나노와이어 다발 물질을 유연 기판에 효과 높게 전사하는 기술을 개발했다고 22일 밝혔다.
나노와이어는 나노미터(㎚) 크기의 선 구조체다. 부피 대비 표면적이 넓어 각종 반응 효율이 높다. 압전소자, 열전소자, 웨어러블 센서 등 여러 분야에 응용할 수 있어 중요성이 커지고 있다.
나노와이어는 완벽하게 정렬된 와이어 구조 구현이 중요하다. 정렬 구조에서는 전자가 수월하게 이동, 소자 성능을 높인다. 압전소자로 쓸 때도 정렬 구조에서 가장 큰 응력 에너지를 낼 수 있다.
기존 나노와이어 제조 기술은 정렬 구조를 구현하기 어려웠다. 화학 합성법으로 나노와이어 혼합 용액을 유연 기판에 도포하는 방식이어서 나노와이어가 기판 표면에 무작위로 분포, 정렬하지 않는다.
대안으로 정렬 와이어 패턴이 각인된 몰드로 나노와이어를 찍어 내는 기술을 개발했지만 열 처리를 할 수 없어 고성능 소자 구현에는 한계가 있었다. 나노와이어가 몰드에 들러붙어 떼어 낼 때 훼손되기 때문이다. 나노와이어는 고온 열처리 공정을 거치면서 결정화되고, 전기 특성이 향상된다.
연구팀은 몰드와 나노와이어 사이에 별도의 `나노 희생층`을 두는 방법으로 기존 방식을 개선했다. 나노 희생층은 몰드와 나노와이어가 들러붙는 것을 방지한다. 연구팀은 우선 몰드 위에 크롬(Cr) 층을 형성한 후 그 위에 나노와이어를 형성했다. 크롬은 700도 이상 고온에서도 녹지 않고, 다른 물질과 화학 결합을 하지 않는다. 열처리를 거친 후에는 과염소산 기반의 크롬식각액으로 손쉽게 없앨 수 있다.
연구팀은 티탄산바륨(BaTiO3) 소재 기반의 유연 압전 소자 개발에도 성공했다. 티탄산바륨은 700도 이상 고온에서 성능이 극대화된다. 기존 열처리를 거치지 않은 소자에 비해 수확 전류량이 37배 많다. 이 기술을 활용하면 세라믹, 반도체 등 다양한 물질로도 나노와이어 유연 소자를 만들 수 있다.
연구팀은 앞으로 3년 안에 상용화가 가능한 수준의 기술력을 확보할 것이라고 밝혔다.
윤 교수는 “나노와이어 기반 소재의 성능을 대폭 높이면서 손쉽게 제조할 수 있는 기술을 개발했다”면서 “고성능 웨어러블 소자를 비롯한 다방면에 활용할 수 있다”고 말했다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
