산화아연(ZnO) 나노로드를 기반으로 하는 피에조압전소자


나노머신을 개발하는 데 있어서 중요한 부분중의 하나는 이를 구동할 수 있는 에너지 원동력을 얻는 문제이다. 나노전력발전소자를 위한 에너지는, 별도의 전력 시스템없이 나노소자에 전력이 공급될 수 있도록 역학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시켜 얻어진다. 이런 역학적에너지는 음향이나 초음파 같은 진동 에너지를 비롯하여 체액이나 혈류와 같은 수력학적에너지(hydraulic energy) 같은 몸의 움직임이나 근육의 스트레칭 등에서 비롯된다.


나노기술의 등장과 나노물질의 사용을 통해, (나노)압전체 분야에서 다양하고 새로운 연구가 한창이다. 특히 환경폐기물의 재활용을 통한 수소 에너지 생산 등에서 많은 연구가 진행되고 있다. 일반적으로 압전형의 나노소자는 전기적 에너지가 외부의 자극으로 다양한 방법으로 생성될 수 있어 와이어리스나, 자가구동 시스템 구현을 가능케 할 수 있다는 장점이 있다.


이전 연구를 통해, 국내의 연구진이 투명하고 플랙서블한 나노전력발전소자를 구현하는 데 이미 성공하였다. 이는 산화아연(ZnO) 나노로드를 기반으로 하는 피에조압전소자이다.(Advanced Materials, DOI 10.1002/adma.200803605)


“투명하고 플랙서블한 나노전력발전소자는 자체충전이 가능한 더치 스크린 디스플레이어나 작은 바람에 의해서도 충전이 되는 나노소자와 같이 새로운 방식의 에너지 수확 기술 등에 폭 넓게 응용될 수 있다”라고 성균관대학교의 김상우 교수는 말했다.


더욱이, 이러한 소자들은 위치나 압력을 동시에 측정할 수 있는 촉각센서나 변형 모바일 전자제품 등과 같은 새로운 분야에도 적용될 수 있다. 그러나 TF 나노전력발전소자를 위해 그동안 사용된 ITO(indium tin oxide)는 세라믹 소재인 ITO의 특성상 유연성에는 그 한계가 있었다.


이번 연구에는 성균관대학교 신소재공학부의 김상우 교수팀과, 삼성종합기술원의 최재영수석연구원과 금오공과대학교의 연구진이 참여했다. 공동 연구팀은 CVD(chemical vapor deposition, 화학기상증착법)를 이용한 큰 규모의 그라핀 박막 합성을 세계 최초로 성공하였으며, 이렇게 증착된 박막을 통해 투명하면서 플렉서블한 나노전력발전소자를 구현할 수 있게 되었다.


이번 연구에서는SiO2(산화실리콘) 기판 위에다 그라핀 박막을 성장시킨 다음, 이 그라핀 박막을 기반으로 하여 산화아연 나노로드(nanorods, 나노막대기)중합에 성공했다. 95 °에서 수용액 방법을 이용하여 성장된 산화아연 나노로드는 그라핀과 수직 방향으로 성장되었다. 전체구조는 그라핀 박막이 전극으로서 위 아래로 형성되며 가운데 산화아연이 채워진 샌드위치 구조를 이루고 있다.


이번에 개발된 기술은 기존의 깨지기 쉬운 ITO전극을 대체할 수 있으며 그라핀 전극을 이용한 투명하고 플랙서블한 그라핀 나노전력발전소자의 기반 기술이 된다.


저온 습식화학공정으로 진행하여 공정진행 상 발생할 수 있는 구조 내의 결함을 최소화 시키는 것이 이번 기술의 가장 큰 장점이라고 김상우 교수는 밝혔다. 또한 아직까지 그라핀 전극에 산화아연을 성장시킨 논문은 발표된 적이 없으며, 이번에 저널 Advanced Materials지에 발표된 논문은 그라핀과 산화아연 나노로드의 결합으로 이루어진 구성체에 대한 최초의 연구결과이다.


이번 연구성과인 발전소자의 투명한 특성은 휴대폰 디스플레이 등과 같은 여러 전자 장치에 유용하게 적용될 수 있다. 그러나 이러한 기술이 바로 적용되기 위해서는 극복해야만 하는 여러 문제들이 남아 있다.


“나노전력발전소자에서 그라핀 전극과 산화아연 나노로드사이의 쇼트키(Schottky) 접촉은 소자의 출력특성에 매우 큰 영향을 미친다. 이번에 개발된 소자에서는 아직 다소 약한 쇼트키 결합을 보이고 있다. 그러나 향후 연구에서 여러 물질의 도핑(doping) 공정을 추가하는 등의 추가공정을 통하여 그라핀 일함수(work function)의 조절을 가능케 하여 그라핀을 바탕으로 하는 나노전력발전소자의 특성을 크게 향상 시킬 것이다”라고 김 교수는 언급했다. 또한 “아직까지는 저온 습식공정으로 성장된 산화아연 나노로드의 비 균일성으로 인해, 그라핀 전극과 나노로드의 접촉률은 1/100 ~ 1/1000에 수준에 머물고 있다. 지금의 연구는 이런 나노로드와 전극과의 접촉율을 높이는 것에 또한 연구 초점이 맞추어져 있다”라고 밝혔다.

투명하고 플랙서블한 나노전력발전소자의 도식도

그라핀 박막이 상하 전극을 이루고, 가운데 산화아연 나노로드가 충진된 피에조압전소자를 이루고 있다.


이번 연구는 Advanced Materials지에 “Fully Rollable Transparent Nanogenerators Based on Graphene Electrodes”라는 제목으로 게재되었다(DOI 10.1002/adma.200903815)

URL : http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=15856.php


<출처> NDSL, 2010. 4. 21

Posted by TopARA

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