나노 와이어 이용해 초소형 회로 만드는 공정 기술 개발

국내 연구진들이 머리카락보다 더 가는 나노미터(10억분의 1m) 크기의 초소형 회로를 개발하는데 필요한 공정 기술을 개발했다. 이 기술은 손가락 및 발가락의 움직임 변화를 감지하는 모션 센서로의 응용으로 운동 시 신체 관절 및 근육의 이완과 수축 정도, 운동량 등을 체크할 수 있는 스마트 운동복 등을 만드는데도 활용할 수 있다.

한국과학기술연구원(KIST) 광전소재연구단 최원준 박사와 울산과학기술원(UNIST) 백정민 교수, 이화여자대학교 김명화 교수 공동연구팀은 단결정 이산화바나듐(VO2) 나노와이어를 정확하게 배치 및 정렬하는 공정 기술을 개발했다고 30일 밝혔다.

그림 A는 이산화바나듐 나노와이어 어레이 성장과정 모식도 및 주사전사현미경 이미지. 그림 B는 플렉서블한 이산화바나듐 나노와이어 어레이 제작 방법 모식도(상단)와 플렉서블한 기판인 PDMS에 전사된 이산화바나듐 나노선 어레이에 전극 증착해 변형센서 제작 이미지와 변형율에 따른 저항변화율을 측정한 그래프(하단). KIST 제공

KIST 연구진은 기존의 연구들을 분석해 밀리미터 길이의 나노와이어를 정렬시키는 데에 성공했다. 특정 패턴을 갖는 표면 위에서 나노물질(오산화바나듐, VO5)을 녹이면 액체 방울들로 분리되는데, 이때 특정 방향으로 나노 액체 방울들이 스스로 정렬되는 현상을 이용해 고도로 균일하고, 정렬된 밀리미터 크기의 단결정 이산화바나듐(VO2) 나노와이어를 성공적으로 형성시켰다.

공동연구팀은 이 현상을 '방향성 오스트왈드 라이프닝'이라고 정의했다.

오스트왈드 라이프닝이란 사이즈가 큰 입자의 에너지 상태가 사이즈가 작은 입자 보다 낮아 사이즈가 작은 입자는 액체상태로 녹아들어가는 반면 큰 입자는 점점 더 크기가 성장한다는 이론이다.

상온에서는 반도체인 이산화바나듐은 특정 온도가 되면 금속처럼 저항이 급격하게 감소하는 특성이 있다. KIST 연구팀은 이 특성을 이용해 고도로 정렬된 밀리미터 크기의 이산화바나듐 나노와이어 변형 센서도 개발했다. 제작된 변형 센서는 단결정 나노와이어의 특성으로 인해 높은 민감도와 빠른 반응 속도를 갖는다.

KIST 최원준 박사는 "이번 성과는 이제까지 알기 어려웠던 산화바나듐 단결정 생성에 대한 이해를 높였을 뿐만 아니라 다양한 종류의 단결정 산화바나듐 나노와이어를 이용한 웨어러블 복합센서 제작에 중요한 계기가 될 것"이라고 밝혔다.

연구진들은 나노미터 크기의 초소형 회로를 개발하는데에 지속적인 최적화 공정을 통해 핵심 기술로 적용 되거나 또는 다른 공정 기술 개발을 위한 실마리가 될 수 있을 것이라 기대하고 있다.

한편 연구진은 "이 기술의 실용화를 위해서는 재료의 선택과 비규칙적인 표면 패턴에서의 공정에 대한 연구가 지속적으로 필요하다"고 말했다.

이 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST-UNIST-Ulsan Center (KUUC) 과제와 한국연구재단 및 국토교통과학기술진흥원 사업으로 수행됐다.

UNIST, 이화여대와의 공동연구로 진행된 이번 연구결과는 나노소재분야 국제 저널인 'Nano Letters' 최신호에 게재됐다.

[e-mail] 김만기 기자