전기수력학적 분사법의 융합기술을 이용한 1차원 나노구조 열전소재 개발

Electrospinning의 원리와 응용

특 집

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1. 서론

새로운 구조의 나노 엔지니어링 재료

는 기존 재료 속성을 조절하거나 향상된 장치 성능을 위한 인터페이스 동작을 증폭하는 중요한 빌딩 블록이다. 이미 일차원(one- dimensional)의 구조체를 만드는 여러 가지 방법들이 존 재하지만, 전기수력학적 분사법(electrospinning)은 넓은 범위의 직경(µm ~ nm) 및 조성 제어와 매우 긴(ultra- long) 나노섬유(nanofibers)를 합성 할 수 있어 소재의 다 양한 확장성과 공정비용 절감의 효과적인 방법으로 주목 받고 있다. 또한, 공정 매개 변수를 제어하여 형상(nano- webs, beaded/smooth cylindrical fibers, nanoribbon 등)과 구조(코어쉘, 중공, 분지, 나선형 및 다공성 구조체 등)를 쉽게 조절할 수 있다.

고분자, 탄소, 세라믹 및 금속 등 의 다양한 나노섬유가 전기수력학적 분사법 또는 post- spinning 공정으로 합성이 가능하다고는 하지만, 전구체 의 비호환성으로 인해 반도체 나노섬유의 제조에는 한계 가 있는 것으로 보고되고 있다. 몇몇 연구에서 음이온과 분사되어 합성된 양이온 전구체의 기상 위상 반응으로 반도체 화합물(SiC, GaAs) 나노섬유의 합성 가능성이 보였으나, 극단적인 작동 조건 및 고가의 장비로 인한 높 은 운영비용으로 공정의 적용 및 확장성은 매우 제한적

이다.

다양한 분야의 많은 전문가들이 1차원 나노구

조체의 소재를 손쉽게 대량 생산하고 이를 직접적으로 소자화 할 수 있는 방법을 원하고 있다. 하지만 아직까지 그 열쇠는 우리에게 쉽게 나타나지 않고 있다. 본 고에서 는 우리에게 열쇠가 될 수 있는 방법들 중 하나를 제시하 고자 한다. 이는 전기수력학적 분사법이라는 매력적인

공정에 다양성과 확장성이라는 요소를 부가시킨 기술로 서, 전기수력학적 분사법과 갈바닉 치환법의 장점들을 효과적으로 융합시켜 1차원 나노섬유의 합성 및 응용분 야를 보다 확장 시킬 수 있는 방법이다. 갈바닉 치환법은 매우 간단한 방법이지만 나노구조체의 조성 및 형상을 선택적으로 변화시킬 수 있는 매우 강력한 기술이다. 이 방법은 변위될 수 있는 고체물질과 전해질 사이에서 일 어나는 자발적인 반응으로 외부 환경의 제어가 필요 없 는 고효율 공정

으로서 전기수력학적 분사법과의 융 합이 용이하다. 갈바닉 치환법은 금속 나노구조체가 내 부 중공구조와 함께 제조되는 것으로서, 이미 다중벽 금 속 나노쉘

과 실리콘의 금속 필름/나노입자 코팅

등에 활용된 바가 있어 검증된 기술이기도 하다.

본 고에서는 전기수력학적 분사법과 갈바닉 치환법의 융합기술을 이용하여 경제적인 고효율 공정으로 종횡비 가 매우 큰 튜브구조의 칼코지나이드(chalcogenide) 나 노섬유를 합성하는 방법을 소개하고자 한다. 연구 대상 소재로서 칼코지나이드 소재 중 하나인 Bi와 Te 화합물 (bismuth telluride)을 선정하였다. 이 소재는 독특한 전 기적, 광학적, 화학적 특성을 발현하는 소재

로서 열전 분야 뿐만 아니라 센서, 비휘발 상변화 메모리(non- volatile phase change memory), 태양전지, 적외선 탐지 등의 다양한 분야에 적용 가능하다. 텔레늄(Te) 원소는 결정학적 방향에 따라 전기적 특성이 변화되는 p-type 반도체

로서, Bi

Te

와 그 합금들은 현재 실온 대역에서 구동하는 출력기 또는 냉각기에 사용되는 열전소재로 가 장 많이 활용되고 있다.

이론적 계산에 의하면 중공구 조의 나노구조체는 열전도도 감소 효과에 의하여 열전성

전기수력학적 분사법의 융합기술을 이용한 1차원 나노구조 열전소재 개발

글

_ 이근재

, 이영인

, Nosang V. Myung

, 좌용호

*

고등기술연구원,

UC Riverside,

한양대학교

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전기수력학적 분사법의 융합기술을 이용한 1차원 나노구조 열전소재 개발

능이 증가된다고 한다. 더욱이 나노선, 나노섬유 등의 매 우 긴 나노구조체는 더 큰 온도 구배를 가질 수 있는 소 자의 구성이 가능하여 더 큰 에너지를 발현할 수 있다.

이렇게 동일한 소재에서도 나노구조체로 합성할 경우, 그 소재에서 나타날 수 있는 물성의 종류와 효과는 매우 달라진다. 특히 전기수력학적 분사법으로 구현할 수 있 는 나노섬유의 파급력은 실로 매우 클 것으로 생각된다.

Fig. 1은 얼마 전 NASA의 연구센터에서 제안한 미래 디 바이스 시스템을 나타낸 것으로서 모든 구성소자의 소재 를 나노선 구조체로 사용하였다. 이는 나노선의 제어기 술의 중요성이 점차 중요시 될 것이며 이에 대한 기술보 유가 필수적이라는 하나의 예시가 될 수 있다고 생각된 다. 본 고에서는 열전소재 개발에 관한 내용과 더불어 전 기수력학 분사공정에서 소재를 제어할 수 있는 방법들과 이에 대한 최근 연구동향에 대해 소개하고자 한다.

2. 전기수력학적 분사법(Electrospinning) 기술동향

2.1. 전기수력학적 분사 원리

전기수력학적 분사법은 전구체 용액을 고전압을 이용 하여 분무하여 입자나 섬유상을 제조하는 전기방사증착 법(ESD; electrospray deposition)의 하나이다. 전기방사 증착법 중 극세 섬유를 제조하는 방법을 전기수력학적 분사법이라 한다. 전기수력학적 분사법의 원리는 고분자 용액을 주사기 등에 넣어 원료를 공급하면서 고전압을

인가하여 주사기 끝의 노즐에서 마이크론~나노 크기의 미세한 섬유가 방사되는 방법이다. 방사되는 미세 섬유 는 이를 포집할 수 있는 포집기(collector)를 이용하여 수 집할 수 있다. 전기수력학적 분사법은 일반적으로 대기 중에서 이루어지는 건식방사법이므로 습식방사와는 달 리 다양한 고분자를 사용할 수 있으며, 실온방사가 가능 하여 열에 취약한 물질의 방사도 가능하다. 전기수력학 적 분사 시 하나의 전극은 고분자 용액에 접촉시키고, 다 른 한 극은 포집기에 연결함으로서, 서로 반대 극성을 가 지는 두 전극 사이에서 고분자 용액은 고분자 필라멘트 (filament)로 생성된다. 고분자 용액이 작은 구멍을 갖는 금속 방사노즐(capillary)에서 전구체를 포함한 용액이 방사되면 용액은 방사중에 증발되고 포집기에는 전구체 섬유가 모아지게 된다. 하지만 방적돌기와 포집기 사이 의 거리가 짧아지면 용매의 증발이 충분 하지 않기 때문 에 방사된 섬유는 포집기에 뿐만 아니라 섬유끼리도 엉 키게 된다. 방사 시 노즐과 포집기 사이의 전위차는 용액, 고분자, 전구체, 점도 등의 다양한 물성에 따라 달라지므 로 제조되는 섬유상의 물성도 차이가 나타난다.

전기수력학적 분사법으로 나노섬유가 만들어지는 원 리는 Fig. 2에 나타난 바와 같이 전장(electric field)이 증 가 할수록 노즐에 형성된 모세관 끝의 용액은 반구형 (hemispherical)에서 테일러 콘(tayler cone)이라 알려진 원뿔형(conical) 형태로 점차 바뀐다. 전장이 더욱 증가하 면 전장에 의해 형성된 반발력이 용액의 표면장력 보다 커지게 되고 정전기력을 가진 액체는 모세관의 끝이 테 일러 콘 정전기력을 가진 액체는 모세관 끝이 테일러 콘

Fig. 1. 1차원 나노선 기반의 미래 디바이스 개념도 . Fig. 2.

.

에서 얇은 섬유 형태로 방사된다. 나노 섬유의 특성을 결 정하는 요인은 고분자용액의 특성과 전기방사시의 조건 에 의해 주로 결정된다. 전기수력학적 분사법으로 제조 된 나노 섬유의 특성을 결정하는 요인들을 요약하면 용 액의 농도, 유전특성, 표면장력, 포집기의 재질과 같은 물 질특성, 전압/전기장/jet 전하 밀도, 모세관 내에서의 정 전기적 압력, 방적돌기와 포집기 사이의 거리, 고분자 용 액의 주입속도 등과 같은 제어 변수와 온도, 습도, 공기 유속 등과 같은 임의 변수들이 있다.

Fig. 3은 기본적인 전기수력학적 분사의 장비구성에 대해 간략히 묘사한 그림이다. 전기수력학적 분사장비는 전원공급부와 방사부, 포집부라는 세 가지 구성으로 크 게 나눌 수 있다. 전기수력학적 분사는 교류전류도 가능 하지만, 일반적으로 분사된 섬유의 균일성이 중시되는 분야에서는 직류전류가 사용된다. 방사부는 고분자 용액 이나 용융물이 들어있는 주사펌프(syringe pump)에서 공 급하는 용액 공급장치와 연결되어 있어서 방사부에서 토 출되는 용액의 양을 일정하게 조절할 수 있다. 전극에 수

~수십 kV의 고전압이 인가되면, 방사부에 매달린 고분 자 용액방울에는 전기가 통하게 되고, 이 때 발생한 분극 현상에 의하여 방사구의 반대극 포집부에 섬유가 적층되 게 된다.

2.2. 전기수력학적 분사법의 정밀제어 기술동향

앞서 언급한 바와 같이, 제조되는 나노섬유의 물성은 원료와 공정 조건에 매우 민감함을 알 수 있다. 최근 이 러한 특징을 이용하여 정밀 제어를 통한 고기능성의 나 노섬유를 개발하는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 공 정 조건, 장비 설계 등의 변화를 통하여 제조되는 나노섬 유의 물성, 위치 등을 정밀 제어하는 기술들이 보고되고 있다. 전기수력학적 분사장치에서 제어가 가장 용이한 부분은 인가전압, 원료용액, 포집부 전극 부분이다. 인가 전압 제어는 이미 많은 연구가 진행되었으며, 실험자가 추가적으로 설계 변경 등에 대한 요소가 존재하지 않아 현재에는 이에 대한 관심은 상대적으로 줄어든 추세이다.

따라서 상대적으로 추가 연구에 대한 여지가 있는 용액 과 전극 설계에 대한 연구가 활발히 진행 중이며 이에 대

한 흥미로운 결과도 꾸준하게 보고되고 있다.

전기수력학적 분사법에서 용매의 물성은 합성되는 섬 유의 특성에 매우 큰 영향을 미친다. 표면장력, 이온전도 도 등에 대한 용매 설계 연구는 이미 많이 이루어져 있는 상황이며, 최근에는 노즐 및 전극 제어 기술과 연계시킨 연구가 진행되고 있다. 예를 들면 전도되지 않은 노즐,

다공성 실린더

등의 장치와 용액과의 상관관계 해석이 나 전극 설계 시 하전된 용액과 전극 사이의 전기장 분포 에 따른 방사 특성에 대한 연구가 그것이다. 특히 전극 설계에 따른 분사 특성 연구의 경우, 전극 형상에 따른 전기장 분포의 변화가 발생되므로 동일 용액 및 전압 조 건에서 방사되는 섬유 특성의 제어가 가능한 기술이다.

이는 전기수력학적 분사법의 산업적용 가능성을 한층 높 여줄 수 있는 기술로 생각된다. 전극 설계에 대한 연구는 이미 이에 대한 연구가 많이 이루어졌으나, 최근에도 칼 날 모양의 전극이나 보조 전극 도입(Fig. 4)에 따른 증착 해상력을 높이는 기술과 꾸준하게 방사섬유의 정렬에 대 한 연구가 지속적으로 보고되고 있다.

전극 설계의 목 적은 방사 시 발생되는 전기장의 제어에 있다. 즉 전기장 의 제어가 가능하다면 정밀 방사된 나노섬유 기술이 개 발될 것이며, 전기수력학적 분사법의 미래산업 적용이 가능할 것으로 판단된다. 전극 설계 외에도 특정 정밀 형 상 증착을 위한 방법 중 하나로 다중 노즐의 선택적 하전 에 따른 방법도 제시된 바 있다 (Fig. 5). 이는 하전된 노 즐을 특정 위치에 배열 시켜 방사된 나노섬유가 특정 방 향으로 정렬되는 특징을 가진다.

전기수력학적 원리에 따라 방사된 섬유는 나선형의 체 이근재, 이영인, Nosang V. Myung, 좌용호

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Fig. 3. 전기방사법을 이용한 나노섬유 합성 방법 모식도.

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류 형상을 나타낸다. 이는 섬유 증착 시 정렬성 향상에 걸림돌이 될 수 있는 현상이다. 따라서 섬유 증착 시 정 렬과 위치제어를 위한 방사 섬유의 체류 거동 제어에 대 한 연구도 진행되고 있다. 먼저 노즐의 설계에 따른 체류 거동 제어를 들 수 있다. 방사 노즐 주변에 가스 자켓을 도입하여 비행되는 섬유의 직진성을 향상 시키는 연구가 진행되었다 (Fig. 6). 또한 단지 노즐의 국부적인 제어가 아닌 노즐과 포집부 사이의 공간 유동을 제어함으로서 증착된 섬유의 형상을 변화시킨 연구도 보고되었다. 일 반적으로 자유 이동에 의한 방사 섬유 증착 거동을 능동 적으로 제어하기 위하여 포집부와 노즐 사이에 챔버를 설치하고 가스를 불어 넣어 나선 기류를 형성시킴으로서 압착된(crimped) 형상의 섬유상을 제조할 수 있다.

이외에도 3차원 형상을 가지는 섬유 직물체, 대면적의 정렬된 나노섬유 필름 등 다양한 분야의 적용을 위한 연 구가 활발히 진행되고 있다. 전기수력학적 분사법의 공

정 특징을 살려 제조되는 소재 디자인 변경을 용이하게 할 수 있는 기술이나 산업화를 위한 대면적, 양산 공정 기술에 대한 연구가 보고되고 있다.

현재 전기수력학적 분사법의 제어기술 연구동향을 정

Fig. 5. 다중 노즐의 선택적 하전을 이용한 정밀 증착기술 .

Fig. 4. 보조전극 설계 및 자기장 인가를 이용한 나노섬유 정렬방법 .

Fig. 6. 방사 챔버내 가스 유입을 이용한 나노섬유 형상제어.

리해 보면 다음과 같다. 지난 수년간 꾸준히 관심을 받고 있는 방사된 나노섬유의 정렬 기술 개발에 관한 내용은 향후에도 지속적으로 많은 연구가 이루어 질 것으로 보 인다. 이는 전기수력학적 분사법으로 제조된 나노섬유의 적용이 가능한 산업분야에서 가장 기본적으로 요구하는 특성으로, 나노섬유의 정렬기술이 선행되지 못하면 산업 적 적용가치는 떨어지기 때문이다. 이와 같은 의미에서 지난 수년간 전기수력학적 분사기술에 대한 가치는 평가 절하된 것이 사실이다. 이는 아직까지 산업적 적용이 가 능한 정렬기술을 포함한 정밀 제어기술이 학술적 연구에 그치고 있기 때문이다. 하지만 앞서 설명한 바와 같이 이 러한 기술적 한계를 극복할 수 있는 방안이 꾸준하게 제 시되고 있고, 일부 분야에서는 이미 그 가능성을 인정받 고 있다. 본 절에서 소개한 기술동향의 내용이 제어기술 동향의 모든 내용이라 할 수 없으나, 달성하기 위한 목표 는 다른 기술에서도 대동소이하다고 생각된다. 아직까지 전기수력학적 분사법의 경쟁 기술 분야에서는 전기수력 학적 분사법의 원론적인 단점을 언급하며 대량생산, 정 밀도 등에 대한 의문점을 제기하고 있다. 물론 본 기술의 단점은 분명히 존재하고 있으며, 단순하게 전기수력학적 분사공정 기술 개선을 통해 이에 대해 완벽하게 극복할 수 있을 지도 의문시 되는 것이 사실이다. 따라서 보다 넓은 의미에서의 기술 개선이 필요하다고 본 저자는 생 각한다. 즉 전기수력학적 분사법과 연계할 수 있는 기술 을 찾고, 응용분야의 확대와 공정 특성 향상이 이루어 질 수 있는 기술을 개발하는 것도 큰 의미에서는 전기수력 학적 분사공정의 제어기술 향상이라 볼 수 있다고 생각 한다.

3. 전기수력학적 분사법을 이용한 1차원 열전 나노소재

3.1. 1차원 열전소재 기술동향

최근 대체에너지 기술의 발전에 힘입어 청정에너지를 구현 할 수 있는 방법 중 하나인 열전소자 분야의 연구 역시 활발히 진행되고 있다. 열전소자는 태양에너지를 이용한 발전뿐만 아니라 체열, 폐열 및 지열 등을 이용한

발전 등에 적용이 가능하여, 그 응용처가 매우 다양하여 청정에너지를 생산할 수 있는 미래 지향적인 특성을 가 진 분야라 할 수 있다. 열전재료는 펠티어효과(Peltier effect) 및 제벡효과(Seebeck effect)를 이용하여 능동냉 각 및 폐열 발전 등에 응용할 수 있는 재료이다. Fig. 7은 열전 소자의 제벡효과와 펠티어효과를 이용한 발전 원리 를 나타낸 그림이다. 열전재료의 에너지 변환 효율을 Seebeck 계수 S, 전기전도도 σ및 열전도도 k에 의해 결 정되는 성능지수 Z(=S

σ /k)에 의존하기 때문에 열전 성 능지수의 향상을 위해서는 Seebeck 계수 S와 전기전도 도 σ 의 증가와 더불어 열전도도 k의 감소가 함께 이루어 져야 한다.

Fig. 8에 나타난 바와 같이 지난 수십 년간 열전재료의 성능지수를 향상시키기 위한 연구가 다양하게 진행되어 왔으나, 기존의 벌크 열전재료들보다 에너지 변환효율이 월등히 우수한 소재 개발은 아직 첫걸음 수준으로서 연 구실 규모의 개발로 밖에 이루어지지 못한 실정이다. 재 료 내에서 열전달을 담당하는 포논(Phonon)의 파장과 전 기전달을 담당하는 전자(혹은 전공)의 평균 자유행로로 부터 열전 재료를 이 특성 파장에 상응하는 길이 단위를 지닌 나노구조체로 제조함으로서 열전성능을 향상 시킬 수 있는 가능성은 확인된 상황이다. 다시 말하면, 전자 에너지 준위 밀도를 제어하여 비교적 큰 값의 Seebeck 상수 및 전도도를 얻어 열전성능지수 값을 향상시키거나, 열전달을 담당하는 포논을 산란시켜 열전도도를 억제함 이근재, 이영인, Nosang V. Myung, 좌용호

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Fig. 7. N-P형 접합된 열전 소자의 기본적인 발전원리 : (a) 제벡

효과를 이용한 전력생산 , (b) 펠티어효과를 이용한 냉각효과 .

과 동시에 에너지 band gap 조절을 통하여 전기적 전도 도는 그대로 유지하는 방식으로 열전 성능 지수를 획기 적으로 개선할 수 있다. Fig. 9는 최근 열전 성능을 향상 시킬 수 있는 요인들을 소재 관점에서 정리한 것이다. 열 전소재의 물리화학적 특성을 제어하여 열전 특성을 향상 시킬 수 있다. 현재에도 열전 성능을 향상시키기 위한 연 구는 지속적으로 이루어지고 있으며, 이에 대한 가능성 제시와 증명하는 연구는 활발히 이루어지고 있어 가까운 미래에 고성능 열전소재의 상용 개발은 이루어질 것으로 예상된다.

최근 열전 연구동향은 크게 두 가지 방향으로 구분되 고 있다. 첫 번째로는 비스무스 나노선 등 초임계 나노선 에서 나타나는 양자구속효과를 이용하는 것으로서, 성능 지수 식의 분자항인 S

σ 를 증가시켜 열전성능 지수를 향 상시키는 방법이다. 또 다른 연구방향은 Bulk 나노복합

체에서의 열에너지 캐리어의 산란을 통하여 성능지수 식 의 분모항인 열전도도 k를 감소시킴으로써 열전성능을 향상시키는 방법이다. 이론적 예측에 의하면 1차원 나노 선이 양자구속효과(quantum confinement effect)로 인하 여 양자 우물구조인 초격자 박막에 비해 더 큰 열전성능 지수의 증가를 가져 올 수 있을 것으로 보이고 있다. 이 러한 나노선 기반의 열전소자 연구는 MIT, UC berkeley, Caltech 등의 미국 대학을 중심으로 Si, Bi, Bi

Te

등에 대한 열전 나노선 연구가 이루어지고 있다. 온도구간에 따라 적용되는 열전소재가 다르며 약 200℃ 이하에서는 Bi-Te계가 우수하고 약 500℃까지는 Pb-Te계가 쓰이며, 이 이상의 온도에서는 Si-Ge계가 가장 우수한 성능을 갖 는다고 알려져 있다.

이러한 열전 연구 분위기에 맞추어 우수한 열전 특성 을 갖는 새로운 열전 소재를 개발하는 노력은 나노소재 합성공정 분야에서도 활발하게 진행 중이다. 특히 증가 된 열전 성능지수를 가지면서 매우 큰 종횡비의 열전 나 노 소재에 대한 연구가 많이 진행되고 있는데, 기존의 1 차원 금속 나노 구조체를 합성시키는 방법, 즉 나노구조 제어를 이용한 템플레이트법, 자기 조립성을 이용한 방 법, 리소그래피(lithography), 금속촉매를 이용한 기상합 성법 등을 이용한 열전 소재 개발이 이루어지고 있다. 나 노구조의 제어를 이용한 템플레이트 방법은 나노다공성 막을 템플레이트로 사용하여 1차원 금속 나노구조체를 합성하는 방법으로서, 그 형태가 템플레이트의 형상에

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전기수력학적 분사법의 융합기술을 이용한 1차원 나노구조 열전소재 개발

Fig. 9. 열전소재의 성능향상을 위한 나노구조체 연구 동향.

Fig. 8. 온도별 열전 성능에 따른 소재 분류 .

의해 제한되므로, 매우 큰 종횡비의 나노구조체를 얻는 것에는 제약이 있다. 또한, 리소그래피 기술은 기판 위에 다양한 형태의 복잡한 패턴이 가능하나, 선폭이 좁은 1 차원 나노구조체를 만들기 위해서는 느리고 연속적인 공 정이 필요하며, 패턴 사이의 균일도 문제를 야기할 수 있 는 문제점이 있다. 자기 조립성을 이용한 방법의 경우, 공정이 간단하고 고가의 장비가 필요하지 않으며, 기존 의 리소그래피 공정으로 수행하기 어려운 나노급의 패터 닝(patterning)이 간단하다는 장점이 있으나 결함 조절과 원하는 모양의 패턴을 자유롭게 조절하기 힘들다는 난제 가 존재한다. 금속 촉매를 이용한 기상합성법은 단결정 나노입자의 합성이 가능하나, 이를 위한 적절한 촉매 사 용이 어려우며 특정 위치에 핵 생성과 성장이 일어나도 록 제어하는 것이 어렵다. 따라서 설명된 방법들은 열전 소재를 1차원 금속 나노구조체로의 단편적인 제조는 가 능하나, 큰 종횡비의 나노 소재로 제조하는 것은 불가능 하다.

앞서 설명한 바와 같이 전기수력학적 분사법은 다양한 구조 및 특성을 나타내는 유기 및 무기 나노 섬유를 손쉽 게 조절할 수 있는 간단하고 생산 비용이 저렴한 방법으 로 주목 받고 있다. 이러한 전기방사기술을 사용하는 것 은 다른 방법에서는 불가능하였던 무한대 길이의 나노섬 유를 얻을 수 있다는 장점이 있지만, 무기 나노와이어 합 성에 있어서 방사된 나노선에 함유된 중합체 및 염 등의 부산물을 제거하기 위해서는 500℃ 이상의 비교적 고온 에서 열처리가 수반되는 것이 필수적이라는 단점이 있다.

특히 저온에서 분해되기 쉬운 열전 소재를 본 공정으로 합성한다면, 중합체 제거 과정인 열처리 공정 중 열전소 재의 휘발성으로 인하여 나노와이어 및 나노튜브를 형성 할 수 없다는 결론에 이르게 된다. 따라서 전기수력학적 분사법만을 이용하여 열전나노소재 제조를 한다는 것은 쉽지 않다는 결론에 이르게 된다.

한편, 반도체 소재를 합성하는 방법 중 하나인 갈바닉 치환 반응은 물질 사이의 표준 환원전위(standard redox potential) 차에 의해 산화-환원 반응이 유도되는 전기화 학 반응이다. 이 반응은 외부 에너지의 공급이 없어도 물 질 간 자발적 반응이므로, 일반적인 화학반응 유도방법

에 비하여 공정이 간단하고, 제어가 용이하다는 장점을 가지고 있어 산업적 측면에서 공정 및 원료 절감효과를 가져올 수 있다. 특히, 실온 및 실온보다 낮은 온도에서 도 치환 반응이 가능하므로, 저온 휘발성 물질을 실온 또 는 그 보다 낮은 온도에서 합성하여 원소 휘발에 따른 조 성 불균형이 발생할 가능성을 현저히 낮출 수 있다. 하지 만 상대적으로 외부 제어 요소가 적은 만큼 합성 소재의 형상, 위치 제어 등에 대한 제약이 존재한다.

본 고에서는 이러한 장단점이 있는 두 공정을 융합하 여 1차원 열전 나노선을 합성하여 평가하는 연구결과

를 소개하고자 한다. 즉 각각의 공정에서 장점만을 취하고, 각 공정에서 존재하는 단점들을 다른 공정으로 극복하는 기술을 개발하였다. 이는 전기수력학적 분사법의 적용분 야를 한 차원 더 확대시키는 것으로서 공정개발에 새로 운 축을 제시한 것이라 사료된다. 다음의 각 절에서 연구 내용을 상세히 설명하기에 앞서 개발기술을 요약하면, 나노선의 합성 및 정렬제어가 가능한 전기수력학적 분사 법으로 금속 나노선을 합성하고, 제조된 금속나노선을 저온 반응공정인 갈바닉 치환법을 이용하여 열전 나노튜 브로 합성하는 것이다 (Fig. 10). 다시 말하면, 열전소재 의 형상, 위치 제어는 전기수력학적 분사법으로 결정되 고 상(phase)과 조성(composition)은 갈바닉 치환법으로 결정되는 것이다.

이근재, 이영인, Nosang V. Myung, 좌용호

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Fig. 10. 전기수력학적 분사법과 갈바닉 치환법의 융합기술을 이

용한 열전 나노선 제조방법.

3.2. 전기수력학적 분사법을 이용한 1차원 기저금속 제 조기술

전기수력학적 분사에 앞서 용액 분사에 사용될 기저금 속 전구체가 포함된 고분자 용액을 제조하였다. 전구체 용액은 PVP(polyvinylpyrrolidone) 기반의 고분자 용액에 Nickel acetate tetrahydrate(Ni-acetate, Ni(CH

COO)

·

4H

O)를 혼합하는 방식으로 제조하였다. 용액 제조는

PVP가 녹아 있는 용액과 Ni염이 녹아 있는 용액을 각각 제조한 후 이를 혼합하는 방식으로 진행하였다. 완성된 혼합용액은 0.31 mm의 capillary tip을 가진 nozzle con- nector와 high voltage power supply, plastic syringe로 이루어진 전기수력학적 분사 시스템을 통하여 방사를 하 였다. 이 때 syringe pump를 사용하여 일정한 속도로 용 액을 공급하면서 방적돌기 역할을 하는 노즐을 통해 토 출 시켰다. 한쪽 전극은 power supply와 nozzle connec- tor와 연결하여 토출되는 고분자 용액에 전하를 주입하 여 하전 시키고, 반대 전극은 포집기(collector)에 연결하 였다. 정렬된 나노선을 취득하기 위해 포집기에는 전극 사이에 SiO

/Si 웨이퍼를 장착시켰다. 방사 공정 중 액상 의 jet이 포집기에 도달하기 전에 연신 및 빠른 속도의 용매의 휘발이 함께 수반되면서 SiO

/Si 웨이퍼 위에 정 렬도가 높은 Ni acetate/PVP 나노섬유를 얻을 수 있었다.

Fig. 11은 방사를 마친 후 생성된 Ni acetate/PVP 나노와 이어의 고배율 광학현미경으로 관찰한 나노섬유의 사진 이다. 본 연구의 목적 중 하나인 나노와이어 직경의 최소 화를 위하여 Ni염의 농도와 인가전압을 감소하면서 방사 추이를 관찰하였다. 보유하고 있는 장비 조건에서는 전 구체 농도 0.005 mol의 인가전압 10kV에서 방사된 나노

섬유의 직경이 가장 작았다. 물론 이보다 염의 농도를 희 박하게 하고 인가전압을 감소하면 더 작은 직경의 나노 섬유를 제조할 수 있었으나, 방사된 섬유의 균일도와 방 사 지속성 등의 물질 및 공정 특성을 최적화한 실험 조건 이었다.

일반적으로 알려진 바와 같이, 본 실험결과에서도 방 사된 나노섬유의 직경은 전구체의 농도와 비례하고 인가 전압과는 반비례하는 관계를 확인하였다 (Table 1). 제조 된 Ni acetate/PVP 나노섬유를 대기중에서 열처리하여 NiO 나노섬유로 제조하였을 경우, 함유하고 있던 다량 의 고분자와 염성분이 분해되어 제거되면서 나노섬유의 직경은 현저하게 감소하게 된다. Table 1에 나타낸 바와 같이, 인가전압이 증가되면 방사특성과 나노섬유의 증착 속도는 향상되지만 직경 균일성이 다소 떨어지는 것이 관찰되었다. 따라서 본 연구에서는 10kV의 인가전압에 서 0.006 mol의 Ni염 농도를 가진 나노섬유를 이용하여 열전소재 실험을 진행하였다.

전기방사를 마친 후 나온 나노섬유는 고분자와 부수적 인 염성분들을 함유하고 있기 때문에 Ni 나노섬유를 형성 시키기 위해서는 열처리를 통하여 고분자를 제거 해주는 공정이 필요하다. 열처리 공정은 대기분위기에서 분당 3℃

의 heating rate 조건으로 500℃에서 3시간 동안 진행하 였다. 대기분위기에서 열처리를 진행하였기 때문에 나노 섬유는 산화(oxidation) 반응이 진행 되어 산화물 나노섬 유가 생성되었다. 이렇게 해서 생성된 합성된 Nickel oxide 나노섬유의 사진을 Fig. 12(b)에 나타내었다. Ni acetate/PVP 나노섬유보다는 표면거칠기가 다소 증가된 추이는 보이지만 추후 제조된 Ni 나노섬유의 표면 보다는 건전한 표면 평탄도를 유지하고 있었다.

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전기수력학적 분사법의 융합기술을 이용한 1차원 나노구조 열전소재 개발

Fig. 11. 전구체 염과 인가전압에 따른 전기수력학적 분사 거동.

Table 1. 전구체 농도와 인가전압에 따른 나노섬유의 직경변화

Nickel oxide 나노섬유를 이용하여 Nickel 나노섬유를 합성하는 공정은 산화물 나노섬유를 환원(reduction) 시 키기 위해서 분당 5℃의 승온조건으로 400℃ (5%

H

+95% N

)에서 3시간 동안 진행 하였다. Fig. 12(c)는 환원분위기에서 열처리 공정을 수행 후 합성된 Nickel 나노섬유(Ni기저금속 나노섬유)의 주사전자현미경 사진 을 나타낸 그림이다. 환원 후 제조된 Ni 나노섬유의 경우 고체상의 Ni 산화물에서 확산과정을 통한 환원 반응이 진 행되어 다량의 기공이 존재하는 것이 관찰되었다. 이는 Ni acetate/PVP 나노섬유에서 산화물로의 합성과정과는 다른 메커니즘으로 진행되었기 때문이다. 환원 온도의 증가 및 환원반응 시간의 최적화가 이루어진다면 보다 건전한 구조의 Ni 나노섬유를 제조할 수 있을 것으로 사 료되었다.

다음은 전기방사를 통하여 합성한 나노섬유의 합성된

상과 결정구조(crystal structure)를 확인하기 위해 XRD(x- ray diffraction)를 사용하여 분석하였다(Fig. 13). 분석은 각 합성단계 마다 생성된 (a) Ni acetate/PVP 나노섬유, (b) Nickel oxide 나노섬유, (c) Nickel 나노섬유에 대한 분석을 진행하였다. 분석 결과 전기방사를 통해 가장 먼 저 합성된 Nickel acetate/PVP 나노섬유는 결정상이 없 는 비정질(amorphous) 상으로 분석되었다. 이를 500℃

의 대기 분위기에서 열처리 한 후에 생성된 나노섬유의 경우는 이차상이 존재하지 않은 순수한 Nickel oxide 상 (phase)을 갖는 Nickel oxide 나노섬유인 것으로 확인되 었고(JCPDS No. 03-065-5745), Nickel oxide 나노섬유를 400℃, 5% H

/95% N

분위기에서 환원 열처리 한 후 나노섬유는 순수한 Nickel 금속상을 가지는 것으로 확인 되었다(JCPDS No. 03-065-2865).

Fig. 14는 환원공정까지 이루어진 Ni 나노섬유를 HR- 이근재, 이영인, Nosang V. Myung, 좌용호

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Fig. 13. (a) Ni acetate/PVP 나노섬유 , (b) 열처리 후 Ni-oxide 나노섬유, (c) 환원된 Ni 나노섬유의 X-선 회절 패턴.

Fig. 14. Ni 나노섬유의 TEM 사진과 SAED 패턴 .

Intensity (a.u.)

2Theta (degree)

Fig. 12. 제조된 나노섬유의 FE-SEM 사진: (a) 방사된 PVP/Ni acetate 나노섬유 , (b) 대기중 열처리 후 NiO 나노섬유 , (c) 환원된 Ni

나노섬유.

TEM으로 관찰한 사진과 국부적 상분석 결과를 나타낸 SAED 패턴이다. SEM 분석 시 나타났던 나노섬유의 기공 이 분명하게 관찰되었다. 본 방사 용액 조건은 고분자의 함량비율이 크므로 이에 대한 기공 존재도 큰 것으로 사 료되었다. 나노섬유의 형상은 마치 수십 nm의 입도를 가 지는 입자가 소결(sintering)되어 목형성(neck formation)이 이루어진 다결정의 소결체 형상을 가지고 있었다. 따라서 제조된 Ni 나노섬유의 전기전도도는 치밀한 구조의 나노 선보다 낮은 전도도 특성을 가질 것으로 예상되었다. 하 지만 이를 기저금속으로 이용하여 열전소재의 합성을 진 행할 목적이었으므로 치밀화 제어에 대한 실험은 진행하 지 않고 다음 실험을 진행하였다. 갈바닉 치환법으로 열 전소재 합성 시 Ni 기저금속 표면에 열전소재가 합성되는 성격을 가지므로 본 형상에 대한 갈바닉 치환 거동을 살 펴보기 위하여 계속적으로 실험을 진행하였다.

앞 절에서 설명한 바와 같이 방사된 나노섬유를 소자산 업에 적용하기 위해서는 나노섬유의 정렬기술이 매우 중 요하다. 본 연구에서도 나노선의 열전성능을 평가하기 위 해서는 제조된 나노섬유를 기판위에 독립적으로 정렬시 키는 것이 필요하다. 전기수력학적 분사법에서 방사되는 나노섬유의 위치정렬을 위해서는 여러 가지 제어 요소가 있다고 앞서 설명하였다. 본 실험에서는 그 중 전극의 설 계를 통하여 방사 중 발생되는 전기장의 분포를 제어하여 나노섬유의 정렬을 시도하였다. Fig. 15 우측사진의 정렬

된 나노섬유 사진에 삽입된 전기장 분포도와 같이 주위의 전기장 분포를 전산모사를 통하여 전기장이 전극 사이에 일렬로 배치되는 설계를 완성하였다. 묘사된 전기장의 분 포는 2차원적 분포도로서 현실적인 실험환경과는 다소 차이가 있을 것으로 생각되었으나, 실제 실험결과에 따르 면 기판 표면의 전기장 분포는 2차원 전기장 분포와 유사 한 거동을 보이는 것으로 나타났다. 일반적인 전극 포집 부와 정렬을 위한 설계된 전극 구성에서의 나노섬유의 증 착 거동은 Fig. 15에서 알 수 있듯이 확연한 차이를 나타 내었다. 본 실험에서 다른 공정 조건들은 동일하게 진행 하였으므로, 간단한 전극 설계를 통하여 방사된 나노섬유 의 증착거동의 제어가 가능하다는 것을 확인할 수 있었다.

3.3. 갈바닉 치환법을 이용한 열전 나노선 기술

열전 나노섬유를 제작하기 위해 앞서 설명한 바와 같이 본 연구에서는 전기방사법을 이용하여 합성한 Nickel 기 저금속 모재의 갈바닉 치환(galvanic displacement) 반응을 진행하였다. 갈바닉 치환반응은 두 금속간의 산화 환원 전위차(redox potential)에 의해 일어나는 반응으로, 상대 적으로 낮은 표준전극 전위(standard electrode potential)에 서는 산화(oxidation) 반응이 진행되고, 반대로 높은 전위 에서는 환원(reduction)이 발생하게 되게 된다. 갈바닉 치 환에 사용되는 전해질은 다음과 같은 공정을 통해 제조

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전기수력학적 분사법의 융합기술을 이용한 1차원 나노구조 열전소재 개발

Fig. 15. 기존 포집부 전극구성 시 방사된 나노섬유(좌)와 전극 설계(inset)를 통한 정렬된 나노섬유 (우 ).

이근재, 이영인, Nosang V. Myung, 좌용호

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되었다. 1M의 HNO

에 10 mM의 TeO

와 20 mM의 Bi(NO

)

·5H

O를 차례대로 용해 시킨 후 D.I water 를 이용하여 희석시켜준다. 이 과정을 마치면 전해질 내에는 10 mM의 HTeO

+

이온과 20 mM의 Bi

가 용 해되어 있게 된다. 또한 전해질 농도에 따른 합성 열전 소재의 합성 조성 평가를 위해 첨가되는 이온들의 농 도를 조절하여 실험을 진행하였다.

Fig. 16은 표준 전극 전위 차이에 따른 산화환원 반 응 및 갈바닉 치환이 진행되는 과정을 나타내는 그림 이다. 반응 진행 시 상대적으로 낮은 전위 값을 갖는 Ni 기저금속 나노섬유가 산화되어 용액 내에서 이온화 되면서 전자를 형성하고, 생성된 전자가 상대적으로 높은 전위 값을 갖는 비스무스(bismuth)와 텔루륨(tel-

lurium) 이온과 결합하면서 Ni 기저금속 섬유의 표면

부에서 환원반응이 진행되어 핵생성 및 성장을 하게 된다. 최종 반응 후에는 비스무스와 텔루륨으로 이루 어진 칼코지나이드 화합물이 합성된다. 이 반응의 메 커니즘은, Ni 기저금속 나노섬유를 HTeO

+

이온이 용 해되어 있는 산 용액(acidic nitric solution)에 침지시 키면 기저금속인 Ni 나노섬유는 HTeO

+

이온에 의하 여 갈바닉 치환반응이 일어나게 된다. 이는 서로 다른 환원전위(redox potential) 차 때문에 일어나는 현상으 로 Ni의 환원 전위의 경우 Ni

/Ni

(E

= - 0.257V vs.

SHE) 이 고 텔 루 륨 의 환 원 전 위 는 HTeO

/Te

(E

=0.551V vs. SCE) 이기 때문에 반응은 Ni의 경우 이온화 되고, 텔루륨의 경우 환원되는 되는 현상이 나 타나게 된다. 이 반응의 전체 반응식은 아래 (1)에 나타 내었다.

본 실험조건과 같이 Bi

와 HTeO

이온이 포함되 어 있는 전해질 내에서 경우는 Ni에 의해 텔루륨은 갈 바닉 치환반응을 일으키고, 형성된 텔루륨 위에 비스 무스 이온이 미달전위 석출(UPD, under potential depo- sition)에 의해서 증착되면서 Bi

Te

상을 형상하게 된 다. 이와 같은 반응은 Gibbs free energy가 음의 값을 갖는 반응 (i.,e., △G

o

=-899.088 KJmol

)으로써 자발 적으로 일어나게 된다. 이 반응의 전체 반응식은 식 (2) 에 나타내었다.

본 연구에서는 전기방사를 통해서 토출되어진 나노 섬유의 측정의 용의함과 나노섬유의 소자 적용 가능성 을 증명하기 위해서 SiO

/Si 웨이퍼 위에 Ni 기저금속 나노섬유를 mat 형태로 제작하여 열처리 공정, 갈바닉 치환 공정 등을 진행하였다. 앞서 설명한 나노섬유 alignment 방법으로 진행하였으며, 정렬을 위하여 설계 된 전극 사이에 샘플을 90도 회전시키며 나노 섬유를 증착 시키는 방법으로 mat 증착을 진행하였다. Fig. 17 은 SiO

/Si 웨이퍼 위에 mat 형태로 형성되어 있는 Bi

Te

나노섬유의 광학이미지와 SEM 이미지를 나 타낸 사진이다. 사진을 통해 나노섬유들은 그물 형태 로 웨이퍼 위에 stacking 되어 형성 되어있는 것을 확인 할 수 있고, Bi

Te

나노섬유가 튜브 형태를 띠고 있 다는 것을 확인 할 수 있다.

갈바닉 치환 반응 후 생성된 Bi

Te

나노섬유의 결 정 구조와 열전소재로의 상합성 여부를 확인하기 위해

Fig. 16. 전기방사를 통해 합성된 Ni 기저금속 모재와 갈바닉 치환반응을 통해 화학적 변환된 Bi

Te

나노섬유의 반응 모식도 .

XRD 분석을 수행하였다. Fig. 18은 치환 반응을 마친 후 분석한 Bi

Te

나노섬유의 X선 회절 패턴 결과이 다. 분석 결과를 보면 치환된 나노섬유는 Bi

Te

상을 가지는 것을 확인 할 수 있다(JCPDS : 015-0863). 이는 실온에서 열전성능을 가지는 열전소재로서 n-type 특성 을 나타내는 상이다.

전해질 내의 이온 Bi

이온의 조성 변화에 따라 갈바닉 치환 후 합성된 나노섬유의 비스무스 함량의 변화를 확 인하기 위해서 전해질 내의 비스무스 함량을 1 mM에서 100 mM까지 늘리면서 갈바닉 치환을 수행하였고, 이를 Fig. 19에 나타내었다. 이 때 전해질 내의 HTeO

의 함 량은 1 mM로 고정 시켜 하나의 대상 인자로 설정하였 다. 그 결과 전해질 내에 비스무스 함량이 증가할수록 Bi

Te

나노섬유 내에 비스무스의 함량이 증가하는 경향 을 나타내었다. 이를 통해 갈바닉 치환반응을 통해 합성되 는 나노섬유의 조성 조절이 가능하다는 것을 확인하였다.

Fig. 20은 Ni 기저금속 나노섬유의 갈바닉 치환 반응 진행 후 분석한 TEM(transmission electron microscope) 이 미지와EDS(energy dispersive spectroscopy) 및 SAED(select- ed area electron diffraction) 분석 결과이다. 분석 결과 나노선 형상의 Ni 기저금속 나노섬유는 갈바닉 치환 반응 후 약 13 nm의 얇은 벽 두께(wall thickness)를 가지고 있고, 변환된 Bi

Te

나노섬유의 내경이 Ni 기저금속 나노섬유의 외경과 유사한 것으로 분석되었다. EDS 분 석을 통한 조성 분석 결과 비스무스와 텔루륨으로 이루 어진 나노섬유라는 것과 각 원소들이 나노튜브 벽(wall) 쪽에 집중적으로 분포하고 있는 것이 관찰되므로 합성된 나노섬유가 튜브형태로 존재하는 것을 확인할 수 있었다.

마지막으로 SAED 패턴 분석 결과 rhombohedral 구조의 Bi

Te

상으로 합성된 것을 확인 할 수 있었다. 제조된 Bi

Te

나노섬유의 전기적 특성을 확인하기 위해 I-V

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전기수력학적 분사법의 융합기술을 이용한 1차원 나노구조 열전소재 개발

Fig. 17. 갈바닉 치환반응을 통해 합성된 Bi

Te

나노섬유의 광학적 이미지(optical microscope)와 주사전자현미경 (FE-SEM) 사진.

Fig. 18. 갈바닉 치환반응을 통해 합성된 Bi

Te

나노섬유의 X선 회절 패턴.

Intensity (a.u.)

2Theta (degree)

Fig. 19. 전해질 내에 Bi

이온 증가에 따른 갈바닉 치환 후 증착 된 비스무스 (Bismuth) 함량의 변화 .

Deposited Bi content (at. frac.)

[Bi

]/[HTeO

]

curve 측정을 수행하였다. 측정을 위해 나노섬유를 SiO

/Si 웨이퍼 위에 정렬시켜 증착하고 포토리소그래피 (photo-lithography) 공정을 통하여 골드(gold) 전극을 나 노섬유 양쪽에 증착하였다.

Fig. 21은 Bi

Te

나노섬유의 전기적 특성 평가를 위 해 제작한 전극의 SEM 사진과 특성평가 결과이다. 이를 통해 SiO

/Si 웨이퍼 위에 나노섬유 양단이 골드전극 아 래 부분에 연결 되어있는 것을 확인 할 수 있다. 나노섬 유의 저항(resistance)은 Sourcemeter 장비를 사용하여 측정하였고 인가한 전압은 -1 mV ~ 1 mV 사이로 sweep 모드로 측정하였다. 제조된 나노선은 1457 Ω의 저항 값 이 측정되었으며, 6.04 x 10

Ωm의 비저항(resistivity) 값 을 갖는 것을 확인하였다. 제조된 나노섬유의 저항값은 치밀한 구조의 나노선과 비교해 볼 때 높은 수치를 나타

내고 있었다. 이는 형상분석 시 관찰되었던 바와 같이 나 노섬유에 기공이 존재하기 때문인 것으로 사료되었다.

이에 대해 보다 자세한 연구를 하기 위하여 저온에서의 저항을 측정하였다. 분석된 그래프의 기울기 값은 제조 된 나노섬유의 활성화 에너지를 나타내기 때문에 다른 재료와의 활성화 에너지를 비교할 수 있으며, 그 원인을 추론할 수 있다. 본 분석은 갈바닉 치환법으로 제조된 나 노섬유와 이를 200℃에서 30분간 열처리한 나노섬유를 분석함으로서 기공과 같은 구조적 결함(defect)에 기인한 전기적 특성 변화를 비교하였다. Fig. 22에 나타난 바와 같이 열처리에 따른 나노섬유의 전기적 특성 및 활성화 에너지는 차이를 보였다. 물론 열처리 온도가 낮았음에 도 불구하고 이러한 경향을 나타낸 것은 튜브상의 나노 섬유에서의 결함에 따른 전기적 특성 영향은 매우 큰 것 이기 때문이다.

Table 2는 다른 공정으로 제조된 유사 조성의 소재에 대한 활성화 에너지를 조사한 것이다. 필름 또는 나노리 본의 소재와 비교하였을 경우 제조된 나노섬유의 활성화 에너지는 다른 수치를 나타내는 것으로 분석되었다. 이 는 조성 및 구조결함에 따른 요인으로서 금속간 화합물 조성의 필름의 경우 원자의 이동 제약에 따라 제조된 나 노섬유보다 높은 활성화 에너지를 나타낸다. 하지만 유 사한 조성의 나노리본의 경우 제조된 나노섬유의 활성화 에너지보다 낮은 수치를 나타내고 있다. 이는 식각 및 증 착공정으로 제조된 나노리본의 구조적 치밀도가 매우 높 기 때문인 것으로 판단되었다. 따라서 전기수력학적 분 이근재, 이영인, Nosang V. Myung, 좌용호

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Fig. 21. Bi

Te

나노섬유의 전기적 특성평가를 위해 제작한 전극 사진과 I-V 특성평가 .

Current (A)

Voltage (mV) Fig. 20. 갈바닉 치환반응을 통해 합성된 튜브형태의 Bi

Te

나노

섬유의 TEM 이미지와 EDS 및 SAED 패턴 분석결과.

사법과 갈바닉 치환법의 융합공정의 최적화를 통하여 보 다 치밀한 구조의 열전 나노섬유를 제조한다면 전기적 특성을 충분히 향상 시킬 수 있을 것으로 기대하였다.

4. 결론

현재 기술적/사회적 요구에 따라 1차원 나노소재의 합 성기술과 소자화에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있 다. 본 저자는 1차원 나노소재의 현실적 응용을 위해서 는 전기수력학적 분사법과 같은 공정기술 개발의 중요성 은 더욱 부각되어 질 것이라 생각된다. 이 시점에서 관련 연구자들의 꾸준하고 창의적인 연구개발을 통하여 전기 수력학적 분사 기술의 적용분야 확대와 산업적 응용이 이루어져야 한다. 소개한 연구결과와 같이 전기수력학적 분사법을 이용한 융합기술로 적용분야 확대와 신규 분야 의 창출에 대한 연구도 지속적으로 이루어져야 한다고

생각된다. 본 연구에서 개발한 튜브형 열전 나노섬유의 경우, 비단 열전분야에 국한되어 진행한 것은 아니다. 기 저금속 및 합성 소재의 변화를 통하여 다양한 적용 분야 를 찾을 수 있다. 만약 전기수력학적 분사법으로는 저온 에서 휘발되는 원소의 합성이 불가능하다는 생각에 갇혀 있었다면, 이러한 연구결과를 가져올 수 없었을 것이다.

보다 넓을 의미의 기술개발, 즉 융합할 수 있는 기술들과 의 접목 등을 통한 기술개발도 미래 산업 소재 개발을 위 한 중요한 요소라 생각된다.

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전기수력학적 분사법의 융합기술을 이용한 1차원 나노구조 열전소재 개발

Table 2. 다른 공정으로 제조된 유사 조성 소재의 활성화 에너지

Fig. 22. 열처리에 따른 나노섬유의 전기적 특성 및 활성화 에너지 .

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9982-87 (2010).

CERAMIST

전기수력학적 분사법의 융합기술을 이용한 1차원 나노구조 열전소재 개발

이 근 재

2004년 한양대학교 금속재료공학과 석사 2009년 한양대학교 정밀화학공학과 박사 2009년-2010년 UC Riverside Post-doc.

2010년-2011년 한양대학교 나노센서연구소 연구교수

2011년-현재 고등기술연구원 신소재공정센터 선임연구원

이 영 인

2007년 한양대학교 정밀화학공학과 석사 2012년 한양대학교 융합화학공학과 박사 2007년-2009년 LG전자 MC 사업본부 주임

연구원

2012년-현재 UC Riverside Post-doc.

Nosang V. Myung

1998년 UCLA Chemical Eng. 박사 1998년-2001년 UCLA, Research engineer 2001년-2003년 Jet Propulsion Laboratory(JPL)

Researcher

2003년-현재 UCR, Chemical & Environ- mental Eng. 정교수

좌 용 호

1996년 오사카대학교 Chemical Process Eng. 박사

1996년-2000년 오사카대학교 ISIR Research associate

2000년-2002년 전북대학교 재료공학과 조교수 2002년-현재 한양대학교 화학공학과 교수