세계적인 기술력 진보에 앞서고자 노력할 터
기존 전자소자의 한계를 뛰어 넘는 새로운 소자개발에 주력
특히 이러한 전자기기의 소형화 경량화는 통신기기분야에서 두드러지게 나타나고 있다. 현재 통신소자의 추세는 소형화와 더불어 고기능, 기능의 복합화 및 소비 전력의 절감을 목표로 많은 연구와 개발이 이루어지고 있지만, 이런 시대적 요구에 걸림돌이 되고 있는 것은 핸드폰과 같은 무선통신기기를 위한 전자기판 등 인쇄회로의 총면적 중 대부분을 차지하는 수동소자이다.
나노 기술력의 진화를 이끄는 NEMD 연구실
연세대학교 NEMD(Nano ElectroMechanical Device:나노 전자기계 디바이스(나노 스케일에서 전기 및 기계적 신호를 활용하여 작동되는 디바이스))는 수동소자의 소형화와 고기능화는 물론 소비전력을 획기적인 절감할 수 있는 나노 디바이스의 활용 범위 확대를 목표로 광범위한 연구를 해 오고 있다. 특히 나노 공진기, 탄소 기반 전송선, 나노 바이오센서에 대한 기존 기술을 대체할 수 있는 기술개발을 연구과제로 삼고 있는데, 이곳을 이끌고 있는 전성찬 교수는 “현 기술을 대체할 수 있는 나노 공정 및 정확한 구동기술이 절실히 요구되고 있는 상황입니다. 일례로 통신기기 회로에 자리 잡고 있는 수많은 수동소자들을 하나의 나노 공진기로 교체할 수 있게 된다면, 무선통신기기의 소형화를 앞당기는 동시에 요구되는 동작전력을 최소화할 수 있을 것입니다”라고 전했다.
현재 연세대학교 기계공학과에 속해있는 NEMD 연구실은 나노 디바이스의 설계 및 제작, 성능측정과 분
석을 진행하며 활용분야의 확대를 목표로 활발한 연구 활동을 해오고 있다. 또한 NEMD 연구실은 한국연구재단에서 지원하고 있는 ‘연세대학교 나노그린에너지 중점 연구소’에 속하여 나노융합 그린에너지 원천기술의 개발에도 직접적인 참여도 하고 있다. 이곳에서 NEMD 연구실이 맡고 있는 분야는 에너지 변환 소자로부터 저장 소자까지 효율적인 에너지 전송 기술을 개발하기 위한 탄소 소재의 고효율 인터커넥터(전송선)의 연구였는데, 이 연구를 통해 나노 스케일의 탄소 구조체 생성법을 개발 및 응용하고 전송선으로써의 가능성을 입증하며 연구소의 입지를 공고히 다졌다.전성찬 교수는 “저희 연구실에서 이루어지고 있는 연구는 첫 번째로 향후 기존의 통신소자를 대체할 것으로 기대되는 Nano Electromechanical System기반의 Nano-resonator (나노 공진기)의 상용화 연구와 2010년 노벨물리학상으로 주목 받고 있는 2차원 탄소 구조체인 graphene(그래핀)의 전자 디바이스 적용에 관한 연구, 기존 센서의 성능을 극대화 시키고 소형화를 가능하게 할 것으로 기대되는 나노 디바이스의 바이오센서 적용 연구 등입니다”라고 연세대학교 NEMD 연구실을 소개하며, 덧붙여 “그래핀의 경우에는 현재 반도체 산업에서 전송선으로 활용되고 있는 금속 소재인 구리를 대체할 수 있는 물질로 기대되고 있습니다. 특히 현재 금속 중에서 가장 저항도가 낮은 은(silver)보다도 낮은 저항도를 가지고 있다는 전기적 특성을 가지고 있기 때문입니다”라고 이야기하며, NEMD 연구실은 이러한 그래핀의 우수한 특성을 활용하여 고주파 전기 신호에 작동되는 RF 디바이스의 전송선 적용에 대한 연구를 진행하고 있다고 전했다.
최근 연세대학교 NEMD 연구실은 산화그래핀이 금속인 금보다도 고주파 전송 특성에 있어 우수하다는 결과를 발표하였는데, 이 연구결과의 우수성이 입증되면서 Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology에 research highlighted 되었으며, 권위 있는 과학전문지인 Nature지에서 온라인 저널로 발표되는 Nature Publishing group(NPG)-Asia Materials의 2011년 1월호에 ‘research highlighted’로 선정되어 곧 소개될 예정이다.
탄소기반 나노 디바이스를 활용한 다양한 연구 진행
탄소 소재는 기존의 금속 소재에 비해 반도체 소자와의 일함수 차이가 적어 보다 낮은 접촉저항을 기대할 수 있기 때문인데, 탄소 소재의 문제점으로 지적되는 생산성을 소재의 산화변형이나 화학적 성장기법으로 해결함으로써 탄소 소재의 뛰어난 내구력과 높은 신호 전송특성, 낮은 접촉저항을 바탕으로 향후 개발될 나노미터 단위의 전자기기에서 기존의 금속 소재를 대체할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.
‘나노 바이오세선서’ 연구는 바이오에 대한 연구를 통해 인체를 다루는 의학분야의 미래에 기여도가 매우 높을 것으로 기대하며, 포도당을 이용한 바이오센서를 통해 당뇨병과 관련된 감지의 한계를 획기적으로 줄이는 기술력에 상당한 기여를 할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 당뇨병은 인술린 분비의 불균형으로 인해 인슐린을 전혀 생산하지 못하거나 인슐린이 상대적으로 부족하여 포도당을 효과적으로 연소하지 못해 생기는 일종의 대사질환으로 혈중 포도당의 농도가 높아지는 고혈당으로 인하여 인체에 이상 증상 및 징후를 일으키고 소변으로 포도당을 배출하게 된다.
이러한 질병을 초기에 검진할 수 있는 것만으로도 치료에 많은 도움이 될 수 있을 것이라고 강조하는 전성찬 교수는 “질병을 초기에 검출하고자 포도당의 농도에 따른 전기화학의 반응을 이용해 농도를 감지, 추가적으로 센서를 트랜지스터 형태로 구성하여 산화그래핀(Graphene oxide)을 첨가한 촉매제를 사용하여 포도당을 검출하는 센서의 초소형화를 가능하게 해 휴대가 용이하고 가격절감의 효과를 볼 수 있을 것으로 기대 됩니다”라고 말했다.
전성찬 교수는 인터뷰를 마치며 “전자소자의 시스템이 점차로 소형화됨에 따라 금속 전송선의 경우 손실은 증가되고, 고효율 에너지 전송은 불가능해지고 있습니다. 이에 대한 대안으로 기존의 구리, 알루미늄 전송선을 대체하는 물질로 탄소나노튜브(Carbon Nanotube)를 적용하기 위해 특성 연구가 활발히 진행되고 있기는 하지만, 탄소나노튜브 이후로 발견된 2차원 탄소 구조체인 그래핀에 대해서는 에너지 전송을 위한 전송선으로써의 적용을 위한 연구는 미미한 수준입니다.
그 중에서도 그래핀의 직류 전송에 대한 연구는 초기단계에 진입해 있지만, 고주파 전송은 아직 미개척 분야로서 무선통신과 컴퓨터 CPU가 4GHz 영역에 진입함에 따라 많은 전자 소자가 고주파 신호전송을 지향하고 있는 상황에서 그래핀의 고주파 영역에서의 신호 전송 연구는 필수불가결합니다. 이처럼 그래핀 전송선의 고주파 특성 연구의 필요성이 대두되고 있는 상황에서 저희 연구실에서 얻어진 우수한 연구결과로부터 그래핀 소재를 통한 고효율 에너지 전송선의 개발 및 상용화 가능성을 한층 높일 수 있을 것입니다”라며 미지의 세계를 개척하는 모험가와 같은 모습을 보여주었다.