나노소자 대량생산 길 열렸다

기계연, 나노선 이송접합 공정 기술 개발

나노소자를 상용화하는 데 가장 중요한 요소인 나노선 접합기술이 개발돼 바이오센서 등 정밀센서 제작에 활용될 전망이다. 피 한방울로 질병을 즉시 진단할 수 있는 바이오센서 개발, 전기 없이 나노구조전극으로 물을 분해해 수소에너지를 얻는 미래의 일들이 현실로 다가섰다.

미래창조과학부 산하 한국기계연구원(기계연) 나노공정연구실 이지혜 박사팀은 나소소자 및 나노구조전극의 대량생산을 위한 '나노선 이송접합 공정기술'을 개발했다고 11일 밝혔다. 나노선을 재료나 특성에 따라 최적의 공정으로 강도 높고 경제성 있게 원하는 기판에 접합하는 시스템이다. 나노선은 직경이 수nm에서 수백nm이고, 길이가 수백nm에서 수μm에 이르는 선 모양 구조체를 나노선 구조체라고 한다. 반도체, 금속, 금속 산화물, 탄소 등의 물질 등으로 구성되며 주로 화학적 합성 또는 식각 공정으로 만든다. 물질의 종류에 따라 바이오센서, 전기발전, 촉매, 태양전지 등의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있다.

기계연 이지혜 박사팀은 반도체칩을 기판에 납땜해 접합하는 개념을 활용해 다량의 나노선을 한꺼번에 소자 기판으로 옮겨 접합하는 공정을 개발했다. 이 기술의 개발로 나노소자 및 나노구조전극 대량생산의 길이 열렸다.

기존 연구는 고가의 장비를 사용, 한 가닥 나노선의 특성을 분석해 나노소자의 가능성을 제시하는 단계에 머물러 있었다. 나노선 이송접합 공정은 나노선 구조체를 열이나 접착제를 가해 원하는 기판에 수직으로 옮겨 접합시키는 것으로, 미세한 탐지가 필요한 가스 센서나, 자외선 센서 등에 활용 가능하다.

연구팀은 나노선과 기판의 재료와 특성에 따라 열압착 이송접합 공정, 접착제 기반 이송접합 공정, 초음파 이송접합 공정 등 최적의 공정을 선택할 수 있도록 다양한 공정기반을 확립했다. 특히, 기계연의 강점기술 분야인 나노역학 기술을 활용, 나노접합부의 기계적, 전기적 특성 등을 분석하는 시스템을 구축해 최적화 된 접합공정을 구현할 수 있게 됐다.

이 중 초음파 나노접합 공정기술은 고주파 진동에너지를 활용해 기판에 열을 발생시켜 나노선을 접합하는 기술이다. 이 기술을 이용할 경우 기존 열압착 공정에서 10분 이상 소요되던 공정 시간을 수초로 단축해 대량생산이 가능하고, 수십도 이상이던 공정 온도를 상온으로 낮출 수 있어 열에 약한 플라스틱 기판에도 쉽게 적용할 수 있다는 장점이 있다.

연구책임자인 이지혜 박사는 “획기적인 나노재료가 계속 개발되고 있으나 나노소자로 실용화된 경우는 찾아보기 어려운 것은 나노소자를 원하는 기판에 이송접합하는 기술이 개발되지 못한 것이 주요 원인 중 하나”이라며, “이번에 개발된 나노선 이송접합 기술로 나노소자의 상용화를 앞당기는 데 크게 기여할 것으로 보인다”고 말했다.

연구팀은 이 기술이 다양한 곳에 활용될 것으로 전망하고 있다. 나노소자를 가스감지센서, 바이오센서 등 정밀한 센서로 활용하거나, 나노구조전극을 휴대용 전자기기에 사용되는 고성능 이차전지, 물을 분해해 수소에너지를 얻는 물분해 시스템 등에 적용하기 위한 연구를 지속할 예정이다.

한편, 관련과제에서 10건의 특허가 출원됐고, 현재까지 7건의 특허가 등록됐다. 또한 총 44편의 SCI(E)급 논문이 게재되었으며, 연구결과가 최근 나노 분야의 권위 있는 저널인 ‘스몰’(Small) 온라인판에 게재됐다.