미세 진동 전기로 바꾸는 고효율 나노발전 소자 구현

이상욱 교수팀, 마이크로 발전시스템 결합기술 개발

이상욱 교수

아주경제 이한선 기자 = 국내연구진이 새로운 소자 제작기술로 수 나노미터 수준의 작은 미세 진동을 에너지로 변환하는 초고효율 나노 발전 소자를 구현하는데 성공했다.

건국대학교는 이상욱 물리학부 교수 연구팀에서 간단한 나노소자 제작 공정을 통해 마이크로 발전 시스템을 나노 전자시스템 회로에 결합할 수 있는 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

이번 연구는 미래부 일반연구자 및 중견연구자 지원사업을 통해 이뤄졌고 에너지 재료 분야 및 응용 물리 분야 세계적 국제학술지인 어드벤스드 에너지 머티리얼즈지 온라인판에 게재됐다.

연구팀은 수 마이크로 미터 두께 산화아연 막대 위에 나노 스케일 고분자 리본을 덮어 아래로 늘어뜨린 후 위에 나노 스케일 전극을 증착해 전극이 산화아연 막대에서부터 산화아연이 놓여있는 기판 아래 형성돼 있는 외부 회로와 전기적으로 연결될 수 있는 방법을 보고했다.

이는 마치 높은 건물 위에 밧줄을 던져 땅까지 늘어뜨린 상태에서 눈이 오면 눈이 밧줄 위에 쌓여 지면부터 건물 위까지 눈길이 끊어지지 않고 연결될 수 있는 것과 비슷한 원리다.

연구팀은 산화아연 마이크로 막대가 놓여있는 기판 위에 100 나노 미터 두께 고분자 필름을 덮어 씌운 후 강한 전자빔을 가해 중합체 결합을 일으켜 마이크로 막대 위에서부터 아래 기판까지 연결되는 나노리본을 국소적으로 형성했다.

이렇게 형성된 나노 리본은 건물위에서 지면까지 늘어뜨려진 밧줄처럼 소자 제작 과정중에 노출되는 물리적, 화학적 공정에 영향을 받지 않고 마이크로 막대와 기판위 회로 사이를 튼튼하게 연결해 줄 수 있었다.

이렇게 제작된 구조 위에 수십 나노미터 수준의 금속을 증착하는 것만으로도 산화아연 막대와 기판 아래 회로사이의 전기적 연결이 안정적으로 이뤄지는 것을 확인했다.

기존의 소자 제작 기술로 마이크로 미터 두께 소재에 전극을 제작하기 위해서는 마이크로 소재의 두께 보다 더 두껍게 금속층을 증착할 수 밖에 없어 공정이 어렵고 전극이 안정적으로 형성되지 않는 문제가 있었다.

두꺼운 금속층을 증착하는데 많은 비용이 들어 마이크로 스케일 크기 물질을 이용해 전자소자를 제작하는 것이 현실적으로 어려운 상황이었다.

이번 연구를 주도한 건국대 물리학부 박사과정 김학성씨는 “마이크로 구조를 이용한 전자소자 제작 연구를 할 때 전극 제작에 사용되는 귀금속의 소비를 줄이고자 간단한 아이디어를 생각했는데 이를 이용해서 소자를 제작하고 특성을 분석하면서 이 방법이 소자 특성의 항상성을 안정적으로 유지할 수 있어 마이크로 및 나노 소자의 전기적 성질의 신뢰도를 크게 향상 시킬 수 있다는 것을 알 수 있었다”고 밝혔다.

연구팀은 이 기술의 응용 가능성을 보여주기 위해 산화아연 막대를 공중에 띄운 후 외부에 기계적 자극을 가하고 산화아연 막대가 진동을 할 때 연구팀이 개발한 방법을 통해 막대 양단에 연결된 전극에서 높은 전압이 발생하는 것을 관찰했다.

지난 수년간 산화아연의 압전 특성, 즉 물질의 기계적 변형에 의해 전압이 발생하는 특성을 이용해 나노 및 마이크로 발전 시스템을 제작하려는 연구가 이뤄지고 있다.

현재까지는 외부에서 비교적 큰 힘을 물질에 가해 산화아연이 많이 변형될 때 전압을 얻어내는 방식이 많이 사용됐으나 이 연구에서는 수십 나노미터 이하 매우 작은 진폭으로 단일 마이크로 산화아연 막대가 진동하고 있는 순간 이전의 연구에서 보여준 수준 이상의 높은 전압이 검출돼 압전 물질을 이용한 마이크로, 나노 발전 시스템의 효율성 문제를 개선할 수 있는 가능성을 보여준 것으로 평가된다.

이상욱 교수는“이번 연구 결과를 통해 압전체 기반 발전 소자를 미래 나노 전자 시스템의 회로 내에 삽입해 나노 시스템의 전원으로 직접 사용할 수 있는 가능성을 보여준 것이 성과”라며 “이를 위한 후속 연구를 진행하고 있다”고 밝혔다.

위 그림은 고분자 나노 리본을 매개로 마이크로 막대에 나노 스케일 전극을 제작하는 소자 제작 공정 모식도, 아래 왼쪽은 하부 회로와 마이크로 막대가 전기적으로 연결된 전자현미경 사진, 아래 오른쪽은 나노 회로에 결합된 산화아연 마이크로 발전 소자의 전자현미경 사진