한국과학기술연구원(KIST) 광전소재연구단 최원준 박사와 울산과학기술원(UNIST) 백정민 교수, 이화여대 김명화 교수 공동연구팀이 단결정 이산화바나듐(VO2) 나노와이어를 정확하게 배치하고 정렬하는 공정 기술을 개발했다고 30일 밝혔다.

나노와이어는 단면 지름이 나노미터 수준인 선 모양 물질이다. 전기적으로 뛰어난 특성을 보이며, 표면적이 넓어 태양전지나 센서에 사용할 때 효율이 뛰어나다. 또 초소형 회로 제작에도 쓸 수 있다. 최근 광전과 에너지 변환, 가스·바이오 센서 같은 분야에서 나노와이어 활용에 나서고 있다. 세계를 변화시킬 10대 신기술 가운데 하나로 꼽힌다.

하지만 나노와이어는 아직까지 상용화되지 못했다. 나노미터 수준으로 회로를 제작하려면 나노와이어를 정확하게 배치하고, 정렬할 수 있어야 한다. 그런데 아직까지 원하는 밀도나 위치를 제어할 수 있는 기술을 개발하지 못했기 때문이다. 나노와이어 상용화를 위해서는 고도로 균일한 치수로 나노와이어를 생산할 수 있는 공정이 필수다.

KIST 연구진은 이러한 기술적 한계를 극복하기 위해 기존 연구를 분석해 밀리미터 길이의 나노와이어를 정렬시키는 데 성공했다. 특정 패턴을 갖는 표면 위에서 나노물질(오산화바나듐, VO5)을 녹이면 액체 방울로 분리된다. 이때 특정 방향으로 나노 액체 방울이 스스로 정렬되는 현상을 이용해 고도로 균일하고, 정렬된 밀리미터 크기의 단결정 이산화바나듐(VO2) 나노와이어를 성공적으로 만들어냈다.

공동연구팀은 이 현상을 ‘방향성 오스트왈드 라이프닝’이라고 정의했다. 오스트왈드 라이프닝은 사이즈가 큰 입자의 에너지 상태가 사이즈가 작은 입자보다 낮아 사이즈가 작은 입자가 액체상태로 녹아들어가는 반면 큰 입자는 점점 더 크게 성장한다는 이론이다.

반도체인 이산화바나듐은 상온에서 특정 온도가 되면 금속처럼 저항이 급격하게 줄어드는 특성이 있다. KIST 연구팀은 이 특성을 이용해 고도로 정렬된 밀리미터 크기의 이산화바나듐 나노와이어 변형 센서도 개발했다. 이 변형 센서는 높은 민감도와 빠른 반응 속도를 갖는다.

KIST 최원준 박사는 “이번 성과로 이제까지 알기 어려웠던 산화바나듐 단결정 생성에 대한 이해를 높였다”며 “다양한 종류의 단결정 산화바나듐 나노와이어를 이용한 웨어러블 복합센서 제작에 중요한 계기가 될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구결과는 나노소재분야 국제 저널인 ‘나노 레터스’ 최신호에 게재됐다.

박응서 테크엠 기자  gopoong@techm.kr