경북대 정수환 교수팀, 세계최초 초음파를 이용한 산화아연 나노막대 수직 성장 및 위치제어 기술 개발
과학기술부 21세기 프론티어연구개발사업의 일환인 테라급나노소자개발 사업단(단장 : 이조원(李兆遠))의 과제를 수행중인 경북대학교 정수환 (鄭守桓) 교수팀은 “초음파화학(Sonochemistry)을 이용하여 상온ㆍ상압에서 산화아연(ZnO) 나노막대의 수직 성장 및 위치제어 기술을 개발했다”고 밝혔다.
산화물 반도체인 산화아연(ZnO) 나노막대는 밴드갭(전자가 지닐 수 있는 에너지 대역 차)이 매우 크며, 테라급의 전계 효과 트랜지스터(FET), 대기오염물질 모니터링 센서, 태양전지용 전극, UV 발광소자, 전계방출 디스플레이의 팁 등 나노기술 전반에 활용이 가능하여 막대한 파급효과를 창출할 수 있는 신소재이다
기존의 ZnO 나노막대 합성 공정은 기상합성의 경우, 고온의 반응 조건이 필요하여 기판의 선택에 제약이 있으며, 액상합성은 수시간 이상의 긴 합성시간이 극복되어야 할 문제점으로 지적되었고, 두 공정 모두 위치제어가 불가능하였으나, 정수환 교수 연구팀은 초음파화학(sonochemistry) 기법을 이용하여 액체에 초음파를 조사할 때 발생하는 공동효과(cavitation effect)를 이용하여 상온ㆍ상압 상태에서 약 1시간 정도의 짧은 합성시간 내에 기판위에 고밀도의 산화아연(ZnO) 나노 막대를 기판의 제약 없이 대면적으로 성장시킬 수 있었다. 또한 복잡한 장비 및 합성과정을 거치지 않으면서도 고집적도의 수직 배향된 나노 구조물을 기판의 원하는 위치에서만 선택적으로 성장 시킬 수 있었다.
연구팀은“신소재 재료기술 확보로 나노전자소재 개발뿐만 아니라 다양한 나노소재분야에 파급효과가 클 것”으로 전망하며 “초음파 화학을 이용한 전자재료 합성분야 및 소자로의 응용기술 분야에서 기술적 우위와 리더십을 확보하는 전기를 마련하였다”고 말했다.
전세계 나노기술 시장의 대부분을 차지하고 있는 나노소재 시장은 2008년에는 214억 달러로 증가하고 2020년까지 연평균 33%의 고도 성장을 이룰 것으로 전망되고 있으며, 산화아연(ZnO) 나노 로드가 다양한 응용 분야가 있음을 고려할 때 나노소재로서의 경제적 파급효과 또한 막대하리라 기대된다.
이번에 개발한 초음파 조사를 통한 ZnO 나노막대 수직 합성 연구결과는 재료분야에서 세계 최고의 권위를 자랑하는 독일 재료학회지(Advanced Materials) 2월 8일자 온라인판에 게재되어 기술의 우수성을 인정받았고 재료 및 화학 분야에서 국제적으로 저명한 미국화학회(ACS, '06. 9월) 및 미국재료학회(MRS, '06. 11월)에 소개되어 큰 주목을 받았다. 현재 이 기술과 관련하여 2건의 국내 및 미국 특허를 출원 중이다.
1. 공동효과(Cavitation effect)
공동은 초음파가 액체상을 지날 때 액체상의 압축과 팽창의 반복과정에 의해서 형성된다. 팽창시에 음의 압력의 영향으로 공동이 생성 및 성장하다가 압축과정에서 임계값에 도달하게 되면 터지게 된다. 공동효과에 의한 미세기공(micro-bubble)이 터질 때 순간적으로 5,000K의 고온과 200bar의 높은 압력 등이 생성된다. 반면 전체적인 시스템은 상온ㆍ상압으로 유지된다. 초음파에 의한 이러한 공동의 형성, 성장, 붕괴의 일련의 과정을 공동효과라 한다.
공동이 보통 액상에서 형성되었다가 미세기공으로 터지는 시간은 마이크로초(micro second)이다. 청정한 조건에서 비교적 안정적으로 반응을 수행할 수 있다는 장점이 있으며, 나노 물질을 합성하는데에도 효과적으로 사용할 수 있다.
2. 초음파화학 (Sonochemistry)
공동효과에 의해 순간적으로 미세기공이 깨질때, 라디칼의 생성과 반응속도의 향상 등의 화학적인 효과가 나타나며, 이러한 효과를 이용하는 분야가 초음파 화학(sonochemistry)이다.
3. ZnO 산화물반도체
산화물 반도체의 일종이며, 에너지 밴드갭(bandgap, 전자가 지닐 수 있는 에너지 대역 차)이 크고, 엑시톤(exciton, 전자와 정공의 짝) 결합에너지가 커서 카드뮴 혹은 마그네슘의 첨가에 의해 2.8 eV부터 4.1 eV의 넓은 범위에서 에너지 밴드갭 조절이 가능하다. 또한 알루미늄 혹은 갈륨의 도핑에 의해 전기전도도를 조절할 수 있고, 압전 상수가 매우 크며, 산화물 반도체 특성상 표면에 산화막이 형성되지 않기 때문에 상온에서의 안정성이 매우 뛰어나다.
4. Adv. Mater. (Advanced Materials)
Advanced Materials (impact factor: 9.107)는 재료 분야의 세계 최고 권위지중 하나이며 독일 WILEY에서 발행한다.
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