투과전자현미경 활용 나노선 촉매 특성 규명
                (nanowire)

 

  - 온도·가스 변화 시 나노촉매 관찰, “나노선의 소자 집적 등 가능성 열어”

  - 김봉중 교수 · IBM 왓슨 연구소 공동연구, Nano letters 8월호 논문 게재

 

 

 

 

□ 국내 연구진이 투과전자현미경(TEM)을 활용해 나노선(nanowire) 성장의 특성을 결정하는 촉매의 특성을 밝혀냈다. 나노선은 실리콘 반도체 공정과 전자소자 제작 등에 활용되는 극미세 와이어로서, 이번 성과는 집적도․성능․효율 면에서 한계에 부딪힌 전자소자(ex. 트랜지스터) 및 에너지소자(ex. 태양전지)의 문제점 극복에 한걸음 다가선 것으로 평가된다.

 

* 투과전자현미경(TEM 영어 풀 네임): 고전압의 전자 빔(beam)을 쏘아 얇은 물질을 투과하게 함으로써 수십만 배 이상 확대해 관찰할 수 있는 현미경

* 나노선: 단면의 지름이 수 나노미터(10억분의 1미터) 정도인 극 미세선

 

  o 지스트(GIST·광주과학기술원·총장 김영준) 신소재공학부 김봉중 교수(40․교신저자)가 주도하고, 미국 IBM 왓슨(Watson) 연구소가 참여한 이번 연구는 한국연구재단이 주관하는 글로벌 리서치 네트워크(GRN) 사업과 지스트 차세대에너지연구소(RISE)의 차세대 태양전지 기술개발 및 연구기반 구축사업의 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 나노과학 분야의 권위 있는 학술지인 나노 레터스(Nano Letters) 8월호에 게재됐다. (*논문명 : Au Transport in Catalyst Coarsening and Si Nanowire Formation)

 

□ 대부분의 반도체 나노선(nanowire)은 나노촉매를 이용해 성장하는데, 그 성장 특성(나노선의 성장 방향, 길이, 굵기, 밀도, 표면특성 등)을 파악하고 조절하기 어려워 실제 나노소자에 집적하는 데 많은 어려움이 있었다. 지금까지는 나노선의 나노 구조물이 성장한 후의 사후적 분석에 의존하고 있는 상황이다.

 

□ 연구팀은 나노선의 성장 특성을 결정하는 가장 초기 단계에서 일어나는 촉매 조대화(Coarsening)의 운동학적 특성을 투과전자현미경(TEM)으로 실시간 관찰하고, 이를 정량화 한 후 수식화 하여 다양한 나노선이 나노소자에 집적될 수 있는 가능성을 열었다.

*조대화 현상 : 화학적 잠재 에너지가 크고 입자 크기가 작은 나노촉매입자에서, 화학적 잠재 에너지가 작고 입자 크기가 큰 나노촉매입자로 원자가 이동하면서 촉매입자의 크기와 밀도가 순간적으로 변하는 현상. 이러한 원자의 이동은 촉매입자가 위치한 기판의 온도와 촉매 주위의 가스분포에 따라 매우 민감하게 변화하는데, 조대화 과정에 의해 결정되는 촉매 입자의 크기, 밀도, 모양, 상태 등은 나노선의 성장 특성에 결정적인 영향을 미친다.

 

  o 연구팀은 ①분자가스(다이사일렌·disilane) 유입과 ②산소 유입, ③진공 상태 등 세 가지 조건을 설정해 외부로부터 투과전자현미경 내 밀폐된 영역으로 가스를 각각 유입하고, 투과전자현미경을 통해 금(Au) 촉매의 조대화 과정 전반을 빠른 속도(초당 30 프레임 이상)로 관찰했다.

 

  o 방향이 다른 두 종류의 기판에서 온도와 가스 환경이 변할 때 여러 크기의 금(Au) 나노촉매의 크기가 시간에 따라 어떻게 변화하는지 측정한 결과, 촉매의 부피 변화의 속도가 시간에 따라 정비례 하는 것으로 나타났다. 촉매 부피 변화는 ‘분자가스 유입 > 진공 상태 > 산소 유입’의 순으로 그 속도가 빠르게 나타났다.

 

□ 김봉중 교수는 “이번 연구 성과는 나노선 생성 과정에서 금(Au) 나노촉매의 조대화 메커니즘과 운동학을 일반화된 정량적 모델로 제시한 것”이라며 “향후 몇 가지 조건의 변화만으로 나노선의 성장 특성들을 조절해 나노선을 실제 소자에 활용할 수 있는 가능성을 높인 것으로 평가된다”고 말했다.      <끝>

 

 

 

홍보기금팀·홍보전략부