[산업계동향] 신기술ㆍ신제품 개발 소식

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NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 30, No. 2, 2012…133

압전소자로서의 가능성을 보인 그래핀

휴스턴대학(University of Houston)의 연구진은 양자 역학적인 계산을 통해 그래핀 시트에 일정한 패턴의 구멍 을 만들어 내면 압전 물질과 같은 특성을 보이는 그래핀을 만들 수 있으며 그 특성을 조절할 수 있다는 새로운 사실을 발견했다. 그래핀은 매우 뛰어난 전기적, 자기적, 광학적 특성을 가진 소재이며 나노 전자소재에서부터 고 감도센 서, 에너지 저장 소자 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다.

이러한 그래핀에 하나 빠져 있는 특성이 바로“압전성 (piezoelectricity)”이라 불리는 특성이다. 압전물질은 전 압이 인가되었을 때 기계적인 변형을 일으킨다. 이러한 그 래핀에 압전 특성을 부여할 수 없을까? 할 수 있다면 어떠 한 방법으로 가능할까? 이러한 문제에 대한 해답을 얻기 위 해서 연구팀은 이번 연구과제를 수행했다. 연구진은 최첨 단의 양자 역학적인 계산 방법과 최첨단의 나노 물질 제조 및 테스트 방법을 적용하여 이와 같은 목표를 달성하는 데 성공했다.

연구팀은 그래핀에 삼각형의 형태로 구멍을 내면 그래핀 은 반도체나 절연체의 특성을 가지면서 동시에 이러한 물 질에 균일한 압력을 가해질 때 압전 물질과 같은 새로운 특 성을 보인다는 사실을 발견했다. 연구팀의 양자 역학적인 계산 결과는 삼각형의 구멍이 형성된 그래핀이 압전 특성 을 가진다는 것을 보여주고 있다. 이는 원형의 구멍이 형성

된 그래핀이 압전 특성을 보일 것이라는 기존의 예측과는 다른 결과이다. 연구팀은 또한 그래핀의 압전성은 압전 물 질로 잘 알려진 석영과 같은 강한 압전 특성을 보인다는 사 실을 발견했다. 연구팀은 실험실에서 전자빔 조사를 이용 해서 실제로 그래핀에 삼각형의 구멍을 형성했으며 이를 기반으로 압전 실험을 진행했다. 연구팀은 이와 같은 실험 결과를 계산 결과와 서로 비교하는 절차를 통해서 양자 역 학적인 계산 결과를 검증하였다.

이번 연구는 미국 국가과학재단(National Science Foundation, NSF)의 재정적 지원을 받아 수행되었으며 EAGER(EArly-Concept Grant for Exploratory Research) 프로젝트 일환으로 진행되었다. 이 연구결과 는Applied Physics Letters에“Coaxing graphene to be piezoelectric”라는 제목으로 게재될 예정이다.

(KISTI 미리안GTB, 2012년1월10일)

차세대반도체보호막용감광성폴리이미드개발

일본 토레이는 새로운 분자설계 기술과 가교 기술을 이 용하여 높은 내약품성과 내열성을 가지면서도170도의 저 온경화가 가능하며 잔류응력이 종래의 저온경화형 재료의 약 절반에 해당하는13MPa 이하의 포지형 감광성 폴리이 미드를 세계 최초로 개발하였다고 밝혔다. 이 재료는 포지 형이 가지는 우수한 해상특성을 보유하고 있을 뿐 아니라,

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134…NICE, 제30권 제2호, 2012

범용 알칼리 수용액을 이용한 현상이 가능한것이 특징이 다. 특히 저온경화, 저응력이 요구되는 차세대 반도체 소자 의 용도를 중심으로 다수의 반도체 업체가 기술의 평가를 진행 중이다.

최근 휴대형 정보단말기 등IT 기기의 고기능화와 다기 능화가 진행되고 있는 가운데, 이러한 기기의 핵심 소자인 반도체 소자의 처리능력을 고도화하고자 하는 요구가 높아 지고 있다. 반도체 소자의 미세화와 고속화를 실현하기 위 해 회로를 형성할 때 저유전율 층간절연막과 고유전율 게 이트절연막의 도입이 진행되고 있으나, 막 구조의 취약에 따른 내열성의 저하와 열에 의한 성능의 변화 등의 문제가 지적되고 있다. 또한 반도체 소자의 고밀도화를 진행하기 위해 반도체 칩의 적층 기술과TSV(through silicon via) 구조의 채용이 보급되고 있으나, 칩이 박형화 됨에 따라 열 처리 후 잔류응력에 의한 웨이퍼의 휨 현상이 과제로 지적 되고 있다. 이러한 반도체 소자의 신뢰성을 높이기 위해서 는 저온경화가 가능하며 저응력 특성을 가지는 보호막 소 재가 필요하다. 특히 높은 해상도를 얻을 수 있는 포지형 감 광성 코팅 재료에 대한 요구가 매우 높다.

이번에 토레이 연구팀이 개발한 포지형 감광성 폴리이미 드는 폴리이미드의 분자구조와 가교제를 새로 설계하는 방 법으로 지금까지 요구되어 온 내약품성과 내열성을 크게 향상시키면서 에폭시 수지와 비슷한 수준인170도에서의 저온경화를 세계 최초로 실현하였다. 또한 종래의 저온경 화형 재료의 절반에 해당하는13MPa의 저잔류응력 특성 을 달성하였다. 아울러, 범용 알칼리 수용액으로 현상이 가 능하기 때문에 환경을 배려한 설계라고 할 수 있다.

(KISTI 미리안 글로벌동향브리핑, 2012년1월11일)

중국, 탄소나노튜브슈퍼캐패시터개발에성공

최근‘중국과학원(中國科學院)’, ‘국가 자연과학 기금 위원회(NSFC)’, ‘국가 과학기술부(MOST)’와‘베이징 시(北京市) 교육위원회’의 공동 지원 하에‘중국과학원’

산하‘물리 연구소’의‘선진 재료 및 구조 분석실험실’소 속‘나노 재료 및 메조스코픽(Mesoscopic) 물리’연구팀 은 관련 연구를통해‘구조가 간단하고 무게가 가볍고 에너 지 밀도와 출력 밀도가 높은 탄소 나노튜브박막(薄膜) 간편

한 슈퍼 캐패시터(Capacitors) 및 개발 방법’에서 새로운 성과를달성하였다. 관련연구성과는Energy & Environmental Science에 공식 발표되었다(2011, 4, 1440). ‘나노 재료 및 메조스코픽(Mesoscopic) 물리’연구팀의 박사 과정에 있는 뉴즈창(牛志强)은 저우워이야(周維亞) 연구원 및‘중 국과학원’원사(院士)인 셰스선(解思深) 연구원과 함께

‘청정 에너지 실험실’연구팀과 공동으로 직접 생장하는 자체 지원 가능한 플렉시블 나노튜브 박막(薄膜)의 고 전기 전도율, 고역학 성능, 고 흡착력 등 특징을 충분히 활용하여 신형 간편한 슈퍼 캐패시터를 연구개발하였다. 이번에 연 구개발한 신형 간편한 슈퍼 캐패시터는 이상적인 두 개 전 기 층 캐패시터 행위와 전류 호응을 나타내었다. 연구팀은 관련 계산을 통해 품질 대비 캐패시터의 비율이35F/g 수 준에 달하고 에너지 밀도는43.7Wh/kg에 달하고 최대 출 력 밀도는197.3kW/kg에 달하여 현재 사용하는 활성 탄 소 재료로 개발한 전통 슈퍼 캐패시터의 에너지량 밀도 (1~10Wh/kg)와 출력 밀도(2~10 kW/kg)를 대폭 초월하 고 있다는 점을 입증하였다. 그 외, 간편한 슈퍼 캐패시터는 우수한 주파수 특성을 나타내고 있다는 점을 발견하였다.

슈퍼 캐패시터는 전기화학 캐패시터라고도 하는데 성능 은 전통 캐패시터와 배터리 사이에 있으며 배터리 높은 비 율 에너지와 전통 캐피시터 높은 출력 비율 특징을 동시에 보유하고 있다. 슈퍼 캐패시터는 하이브리드 자동차 대출 력 레이더, 이동 전화 및 정보 제품의 백업 전원, 노트북, 배 터리가 필요 없는 원격 탐사 장비 등 분야에서 중요한 응용 역할을 발휘할 수 있다.

‘중국과학원’산하‘물리 연구소‘ 연구팀은 장기간의 연 구를 통해 탄소 나노튜브 박막 개발, 물리 특성과 응용 기초 연구를 실행하여 다양한 성과들을 달성하였다(Nano.

Lett. 2007, 7, 2307; Adv. Mater. 2009, 21, 603;

Nano. Lett. 2009,9, 2855). 최근 연구팀은 직접 생장하

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NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 30, No. 2, 2012…135 는 자체 지원 능력을 보유한 플렉시블 탄소 나노뷰트 박막

의 고 전도 전기 비율, 고 역학 성능, 고 자체 흡수 능력 등 특징을 보유한 일종 구조가 간단하고, 무게가 가볍고, 에너 지 밀도와 출력 밀도가 높은 탄소 나노튜브 박막의 간편한 슈퍼 캐패시터 및 제조 방법을 개발하였다.

(KISTI 미리안GTB, 2012년1월25일)

금속의 고순도 정제공정

최신 디바이스나 반도체 등이 우수한 성능을 발휘하려면 초대규모집적회로(ULSI)용 저저항율 Cu배선재료나 FeSi2반도체의Fe, high-k 재료인Hf, La 등의 고순도산 화물, 게이트 전극재료에 고융점Ta 등이 고순도의 금속소 재가 요구되고 있으므로 초고순도 정제기술이 필요하다.

품위가5N 이상의 순철 정제법은 전해철을 염산에 용해시

켜서 음이온교환정제법으로 회수한 초고순도FeCl2수용액 을 산화 및NH4OH로 중화하여 수산화철을 회수하는 공정 에서 수산화물의 결정형태와 입자크기 및 단체 분리성 등을 고려하지 않고 고순도 수산화철만을 얻어서 수소 환원한다.

생성한Fe품위5N 이상의 분철은 산화력이 매우 크므로 환 원로나 환원철 회수장치가 공기유입이 안 되도록 하고 수소 플라스마용해 과정까지 공기차단을 철저히 할 필요가 있다.

시판99.5% Hf, La, Co, Ni, V, Ta 등의 고융점 금속을 정제하는 방법에서 탈산, 탈질 및 불순금속을 산화 제거하 는 공정은 수소플라스마 아크용해법이 유리하고 고융점희 토류 금속을 정제하는 방법은Ar플라스마대용융법이나 전 자빔을 열원으로 하는 대용융법이 활용되는데 전자빔법은 온도가 높기 때문에 모금속의 증발손실 우려가 있으므로Ar 플라스마 대용융법을 활용하는 것이 유리하다고 생각된다.

국내에서5N 이상의 순철이나 순동 제조 및 고융점금속

의 대용융법에 의한 정제실적은 보고되고 있지 않으나 한 국지질자원연구원(주)나인디지트는 콘덴서용으로 사용하

였던Ta 스크랩(4N7)을 회수하여 전자빔용해에 의하여

5N Ta 잉고트를 시험 생산한 예가 있고 포항 산업과학연 구원에서는Nb2O5를Aluminothermic법을 이용하여Nb 제련실험 등 연구 중이므로 언젠가는 초고순도금속이 생산 되기를 기대하는 바이다.

(KISTI 미리안Reseat, 2012년2월14일)

더효율적인평판나노-이종접합유기태양전지

MIT와 광주과학기술원의 연구진은 단일벽 탄소나노튜 브를 사용했을 경우에 이 나노재료의 우수한 장점에도 불 구하고 왜 더 효율적인 유기 광발전 장치를 만들 수 없는지 에 대해서 조사했고, 결국 단일벽 탄소나노튜브 다발이 태 양전지의 성능을 결정한다는 것을 발견했다. 이런 개념을 증명하기 위해서, 이번 연구진은 억셉터(acceptor)로서 길고 평행한 단일벽 탄소나노튜브를 사용하고 도너 (donor)로서P3HT를 사용해서 평판 이종접합(planar heterojunction, PHJ) 태양전지를 개발했다. 이전 연구 에서 단일벽 탄소나노튜브 당 효율이50배 향상되었다 (ACS Nano 2010, 4, 6251). 단일벽 탄소나노튜브를 덮

고 있는P3HT층의 두께를 조절함으로써, 이전 연구진은

최대 광전류가~60 nm까지 도달한다는 것을 발견했다. 이 번 연구결과는 이 연구에 영감을 얻어서 이루어졌고, 저널 Nanotechnology에 게재되었다. PHJ의 최대 효율은10 nm 이하의 활성 물질에서 얻어졌는데, 이것은 대부분의 공 액 폴리머(conjugated polymer)에서 여기 확산 길이의 값이다. 이것은PHJ의 헤테로-계면에서 엑시톤(exciton) 이 확산 길이보다 더 큰 거리에서 생성되면 광전류에 기여 할 수 없을 것이라는 것을 보여준다. 논문 검색을 통해서, 이번 연구진은 이례적인 반응을 보여주기 위해서P3HT 기

반의PHJ 장치에 다른 것이 추가되어야 한다는 것을 알게

되었다. 또 다른 설계 방법의 경우에 어셉터 물질로서 PCBM 분자를 이용했는데, 이때P3HT 두께에 따라서 유 사한 광전류 효과를 보인 것으로 보고되었다. 이번 연구진 은 광학적T-기질과KMC(Kinetic Monte Carlo) 모델을 결합하여서 이 연구결과를 더 상세하게 조사하였다. 연구

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136…NICE, 제30권 제2호, 2012

진은 나노구조로 된 장치 속의 엑시톤을 조사하고 조절하 는데 큰 흥미를 보이고 있다. 이 연구결과는 한국 연구재단 기금(Korea Research Foundation Grant, MOEHRD;

KRF-2007-357-D00133)에 의해서 지원되었다. 이 연구 결과는 저널Nanotechnology에“Anomalous thickness- dependence of photocurrent explained for state-of- the-art planar nano-heterojunction organic solar cells”라는 제목으로 게재되었다

자외선에서 발광하는 나노결정 다이오드

밀라노 대학(University of Milano-Bicocca)과 로스 앨러모스 국립 연구소(Los Alamos National Laboratory) 와 매사추세츠 공과대학(Massachusetts Institute of Technology)의 연구진은 자외선에서 빛을 발하는 유리 기반의 무기 발광 다이오드를 만들 수 있는 새로운 프로세 스를 개발했다. 이 연구는 저널Nature Communications 에 게재되었고 생의학 장치에 나노구조로 된 시스템을 접 목시키는데 큰 도움을 줄 것이다. 용액 공정으로 제조된 무 기 나노결정 기반의LED는 환경 및 생의학 진단에 유망하 게 적용될 수 있는데, 이것은 그들이 저렴한 비용으로 생산 할 수 있고, 강하며, 화학적으로 안전하기 때문이다. 그러 나 자외선 영역에서 빛을 방출하는 것을 달성하기 어렵기 때문에 이런 분야에 적용되지 못하고 있었다. 이번 연구진 은이런 문제를 극복할 수 있는 새로운 제조 프로세스를 개 발했는데, 발광 장치들은 랩-온-칩(lab-on-chip) 진단 플 랫폼 또는 몇몇 광화학적 반응을 촉진하기 위해서 신체 속 에 삽입될 수 있는 광원으로 적용될 수 있다. 예를 들어, 이 러한 장치들은 더 나은 의료적 치료를 위한 광 민감성 약물

또는 의료적 진단에 적용되는 형광 식별제를 선택적으로 활성화시킬 수 있다. 이런 물질들은 더 저렴하고 대면적으 로 제조할 수 있으며 기존의 기술과 결합될 수 있다.

이 제조 프로세스는 습식 방법을 사용하기 때문에 다른

무기물LED를 제조할 수 있는 새로운 중합 방법을 설계하

는데 중요하게 적용될 수 있을 것이다. 중요한 것은 이 방법 이 매우 낮은 착수 비용으로 대량 생산이 가능하다는 점이 다. 마지막으로, 이LED는 유리 속에 나노결정을 삽입시킨 덕분에 자외선 영역에서 빛을 방출한다. 기존의 광방출 다 이오드에서는 광 방출이 두 개의 반도체 사이의 급격한 계 면에서 일어난다. 이번 연구진이 사용한 산화물 속에 산화 물을 적층시키는 이런 설계 방법은 유리 속에 나노결정을 결합시킬 수 있기 때문에 기존의 것과 다르다. 이 연구결과 는 저널Nature Communications에“Fully inorganic oxide-in-oxide ultraviolet nanocrystal light emitting devices”라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/ncomms 1683).