국내연구진이 나노소자, 센서, 태양전지 등에 폭넓게 활용하는 다차원 나노물질을 경제적이면서도 친환경적으로 제조할 수 있는 공정을 개발했다. 이번에 개발된 기술은 기존 공정이 합성 과정 중 사용하던 불순물을 사용하지 않아 친환경적이면서도 불순물의 제거 과정을 생략할 수 있어 경제적 측면에서도 활용 가능성이 높은 것으로 평가받고 있다.
국내연구진이 기존에 비해 쉽고 경제적이며 친환경적인 나노물질 제조공정을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST) 청정에너지연구센터 김상우 박사와 특성분석센터 안재평 박사는 8일, 공동 연구를 통해 레고 블록을 조립하듯이 나노입자를 자유롭게 활용하여 다차원 반도체 나노물질(나노입자, 나노시트, 나노선)을 제조할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 세계적 권위의 과학전문지 네이처Nature의 자매지인《Scientific Reports》 최신호(4월)에 게재됐다.
다차원 나노물질은 나노 크기이면서도 점, 리본, 선의 형상을 하고 있는 것을 뜻한다. 이런 나노입자, 나노선, 나노시트와 같은 다차원 반도체 나노물질은 촉매, 반도체, 나노소자, 센서, 태양전지 등 산업계 전반에 폭넓게 활용되고 있다. 하지만 기존 공정에는 다차원 나노물질을 합성하는 과정에서 주형(템플레이트)이나 금속 성장촉진제와 같은 불순물이 사용되기 때문에 이를 제거하는 공정이 추가로 요구되어 복잡하고 비경제적이라는 난점을 가지고 있었다. 이러한 문제점으로 인해 학계에서는 불순물을 사용하지 않고 다차원 나노물질을 만들 수 있는 방법에 대한 연구의 필요성이 계속적으로 제기되어 왔다.
자유롭게 다차원 나노물질 조립 가능
이에 KIST 공동연구팀은 주형이나 성장촉진제를 사용하지 않고 초임계유체 기술을 이용하여 가돌륨(Gd)과 세륨(Ce)을 초임계 이산화탄소-에탄올 혼합유체 안에서 반응시켜 나노결정의 핵입자를 마치 레고 블록과 같이 하나 하나 합쳐 고차원의 형태로 제조하거나 다시 저차원의 형태로 분해시킬 수 있는 기술을 개발했다.
초임계유체는 인위적으로 유체를 가둘 수 있는 챔버를 사용해 온도를 높이면서 압력도 동시에 높이는 과정을 통해 자연계에 존재하는 물질 상태를 벗어난 독특한 물질 상태를 만들 수 있는 기술이다. 이 과정을 통해 온도 및 압력이 어느 임계점을 초과하게 되면 액체나 기체의 구분이 없어지면서 두 성질을 동시에 가진 초임계유체 상태가 구현되게 된다.
향후 이 기술을 이용하면 다양한 물질계에서 나노와이어, 나노시트 등의 다차원 나노물질을 레고 블록과 같이 마음대로 조립하여 만들 수 있을 것으로 기대된다. 특히 이 기술은 기존의 나노물질 제조 기술로는 구현하기 어려웠던 불순물 없는 다차원 나노물질을 쉽게 제조할 수 있는 장점이 있다. 따라서 환경오염을 유발하는 고순도화 세정공정 없이 고순도 반도체 나노물질을 보다 손쉽게 제조할 수 있게 되었다.
또한, 다차원 나노물질의 미세분석을 통해 생성과 성장에 관한 메커니즘을 체계적으로 밝힘으로써 초임계유체 공정을 이용한 나노물질 제어의 가능성을 제시, 본 연구의 학술적 가치를 높이는데 기여했다.
안재평 박사는 “이번에 게재된 논문에 다차원 나노물질을 제조하는 온도-압력 지도와 실험 방법을 공개했다”며 “더 많은 연구자들이 이 기술을 활용해 우리나라 미래소재산업의 발전에 기여할 수 있기를 기대 한다”고 말했다. 이번 연구는 KIST 및 미래창조과학부의 연구비 지원으로 수행됐다.
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