계면제어 및 나노소재 공정 기반의 '친환경전지기술 연구센터'

 친환경전지기술 연구센터(D동 5층)에서는 서울대학교 융합과학부 김연상 교수 지도아래 계면제어 및 나노소재 공정을 바탕으로 유기 및 산화물 박막트랜지스터, 에너지 수확소자, 신기능성 메모리소자, 차세대 에너지 저장소자, 고분자 몰드를 이용한 미세패터닝 분야, 기능성 나노소재 합성분야 등의 연구를 하고 있다. 다양한 전공을 기반으로 한 연구원 및 대학원생들은 ‘나노계면소재공정’이라는 주제를 융합적인 사고를 바탕으로 문제에 접근하고 있으며 각자의 전문성을 발휘하여 기존 소자의 최적화 및 고성능화뿐 아니라 시도되지 않았던 새로운 연구 분야를 개척해 나가고 있다. 크게 4가지로 나누어 연구의 필요성과 의미에 대해 소개하고자 한다.

□ 박막 트랜지스터의 산화물 반도체 및 계면 현상 연구

현대사회에서 투명하거나 유연성을 가지는 차세대 디스플레이 산업은 시장성, 유용성 면에서 크게 기대되고 있다. 이에 따른 차세대 디스플레이를 구축하기 위해 다양한 기술들이 제시되고 있는데 특히 스위칭 역할을 하는 박막형 트래지스터(Thin Film Transistor, TFT) 부분에서 산화물 반도체는 크게 각광받고 있다. 일반적으로 산화물 반도체가 나노두께 수준의 박막 상태에 놓이게 되면 투명하거나, 유연한 특성을 보인다. 이러한 나노 두께의 박막을 형성하기 위해서는 다양한 공정이 존재 할 수 있는데, 그 중 용액 공정은 나노 박막을 형성 시, 공정 단가를 낮출 수 있는 큰 이점이 가진 공정이다. 본 연구팀에서는 용액공정을 이용시 상대적으로 비싼 고진공에서 형성되는 박막에 비하여 성능이 떨어지는 부분을 보완하는 연구를 진행하고 있다. 또한 용액 공정에서 일어날 수 있는 계면 문제 극복, 산화물 TFT의 게이트 축전율과 전자이동도간의 관계 규명하는 연구도 진행하고 있다.

▲ 박막 트랜지스터의 산화물 반도체 및 계면 현상 연구

□ 에너지 수확 소자

지속 가능한 에코시스템을 위한 에너지 발전에 대한 많은 기술이 있었지만, 대부분은 복잡한 변환 장치 혹은 공정과정을 가지거나 값비싼 재료 혹은 친환경적이지 않은 구동 조건을 가지고 있는 경우가 많았으며 그것이 실용화의 큰 걸림돌이 되었다. 이에 본 연구에서는 외부전력이나 복잡한 변환 장치 없이 물의 움직임을 통해 새롭고 실용적인 에너지 발전 소자를 제시한다. 특히, 물방울 한 방울(30 μl)의 흐름으로 LED를 구동시키는데 성공하였으며, 본 소자는 빗물·강물·바닷물의 흐름뿐만 아니라 버려지는 생활용수에서 에너지를 생산할 수 있는 가능성을 가지고 있다. 

▲ 에너지 수확 소자

또한 다른 에너지 발생소자로서 용액형 무기물 압전반도체를 이용해 반복적으로 휘는 환경에서 안정적인 압전 특성을 나타내는 패치형 압전 에너지수확소자를 개발했다. 기존에 압전물질은 스퍼터링이나 진공증착 같은 대형장비를 이용하는 고온공정을 거쳐야 하며 인체에 유해한 중금속을 사용하는 데 반해 본 연구에서 개발한 압전박막은 저온에서 열처리여 적은 비용으로 제작이 가능하다. 또한 팔꿈치를 움직이는 등의 휘거나 비트는 힘에도 결정에 변화가 없어 옷은 물론 관절의 움직임으로 전기를 만드는 패치형 압전소자로서 이용될 것으로 기대된다.

▲ 패치형 압전소자

□ 에너지 저장소자

저탄소 녹색성장을 위해 세계적으로 환경규제가 심화되고 신재생 에너지, 차세대 에너지사업이 각광을 받음에 따라 에너지 저장장치 또한 오랫동안 연구·개발되고 있다. 충전을 통해 지속적으로 재사용이 가능한 이차전지에는 납축전지, 니켈-카트뮴전지, 니켈-금속수소전지, 리튬 이차전지 등 많은 종류가 있다. 그 중에서 리튬 이온 이차전지는 상용화되어 있는 전지에 비하여 가벼우면서도 에너지밀도가 높아 많은 분야에 응용되고 있다. 본 연구실에서는 리튬 이온 이차전지의 재료물질 및 응용에 관한 연구를 진행 중이며, 특히 음극, 전해질 그리고 분리막에 대한 심도 깊은 연구를 수행하고 있다. 분리막 연구는 현재 고분자 분리막이 갖고 있는 낮은 열적 안정성 및 수명 특성 개선을 위한 새로운 고강도 물질로 대체하여 열적 안정성을 극대화 시키는 연구를 진행하였다.

▲ 에너지 저장소자

□ 금속 나노물질 합성 및 응용

금속 나노입자의 형태, 크기, 구조의 변화를 통하여 물리적 및 화학적 특성에 많은 변화를 일으킬 수 있다. 본 연구에서는 다양한 모양을 지닌 금속 나노입자를 합성하여 이들의 합성 메커니즘을 규명하고 다양한 영역에 응용하고 있다. 특정한 모양의 입자를 합성 하기 위해서 조건들을 정교하게 제어하는 것 이외에도 계면활성제를 사용하여 특정 결정면의 표면 에너지를 조절하는 과정을 다루고 있다. 재료적으로는 구리에 집중하고 있는데, 이는 기존의 금과 은 같은 금속의 경우 모양을 조절하기 용이하지만 매장량이 적어 그 희소성으로 인해 가격이 비싸다는 단점을 가지고 있다. 반면 구리의 경우 다양한 광학적 특성과 촉매로서의 응용이 가능함과 동시에 가격 또한 저렴하다는 장점을 가지며 다른 금속에 비해 연구가 많이 진행되어있지 않은 부분에서 대안 물질로써 집중적으로 연구하고 있다. 

▲ 금속 나노물질 합성 및 응용

▲ 연구실 야유회 사진(위), 연구실 내부사진(아래)

 '친환경전지기술 연구센터'에 대한 보다 자세한 내용은 http://www.snunml.com에서 확인할 수 있다.

(글/사진: 김현진 연구원)