[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 나노와이어는 단면의 지름이 나노미터(nm·1nm는 10억분의 1m) 수준인 선 구조를 갖는 물질이다. 광전, 에너지 변환, 가스·바이오 센서 등의 분야에 나노와이어를 결합하고 있으며 세계를 변화시킬 10대 신기술 가운데 하나로 꼽힌다. 국내 연구진이 난제였던 나노와이어의 상용화를 푸는 기술을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST) 광전소재연구단 최원준 박사와 울산과학기술원(UNIST) 신소재공학부 백정민·이화여대 화학나노과학과 김명화 교수 공동연구팀은 단결정 이산화바나듐(VO2) 나노와이어를 정확하게 배치·정렬하는 공정 기술을 개발했다고 30일 밝혔다.

연구진에 따르면 나노와이어는 전기적으로 뛰어난 특성을 보이며 표면적이 넓어서 태양전지나 센서에 사용할 경우 효율이 뛰어나다.

(A) 이산화바나듐 나노와이어 어레이 성장과정 모식도 및 주사전사현미경 이미지 (B) 플렉서블한 이산화바나듐 나노와이어 어레이 제작 방법 모식도 (상단), 플렉서블한 기판인 PDMS에 전사된 이산화바나듐 나노선 어레이에 전극 증착하여 변형센서 제작한 이미지와 변형율에 따른 저항변화율을 측정 (하단) [자료=KIST]

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.

KIST 연구진은 이런 기술적 한계를 극복하기 위해 기존의 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 이용해 고도로 균일하고 정렬된 밀리미터 크기의 단결정 이산화바나듐(VO2) 나노와이어를 성공적으로 형성시켰다.

공동연구팀은 이런 현상을 ‘방향성 오스트왈드 라이프닝’이라고 정의했다. 오스트왈드 라이프닝은 사이즈가 큰 파티클(입자)의 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.

KIST 연구팀은 이 특성을 이용해 고도로 정렬된 밀리미터 크기의 이산화바나듐 나노와이어 변형 센서도 개발했다. 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 말했다.

연구결과(논문 “irectional Ostwald Ripening for Producing Aligned Arrays of Nanowires”)는 나노소재분야 국제 저널인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 최신호에 게재됐다.

kimys@newspim.com