최근 전 세계적으로 이슈가 되고 있는 나노기술은 미래과학 분야에서 가장 각광받는 분야 중 하나다. 나노기술은 대표적 융합연구 분야로 물리, 화학, 전자, 우주과학 등 거의 모든 과학기술 분야에 적용된다.

▲ 전성찬 교수는 “기존 연구소자의 한계를 뛰어넘는 새로운 소자개발을 위해 연구역량을 집중할 것”이라고 포부를 밝혔다

미래 과학기술은 특정분야의 기술만을 갖고 연구를 진행하기보다는 여러 분야의 기술들을 융합하는 연구형태가 된다. 국내의 대표적인 나노 분야 연구는 나노기반 반도체 및 디스플레이 소자, 나노 태양전지, 나노-스케일의 바이오 소자 등이 있다. 현재 그라핀, 나노와이어, 나노입자 등을 이용한 나노기술 연구들이 두각을 나타내고 있으며 이와 관련된 많은 연구가 최근 세계적인 과학잡지인 사이언스 및 네이처에 연달아 게재되면서 세계적으로 우리나라의 나노 기술력이 상당히 높은 평가를 받고 있다.

나노 디바이스의 활용 범위 확대 연구
세계적인 기술력을 자랑하는 국내 나노 기술 연구 분야를 선도하고 있는 연세대학교 NEMD(Nano ElectroMechanical Device: 나노전자기계 디바이스)연구실이 주목을 받고 있다. 연세대 NEMD연구실의 전성찬 교수는 “나노전자기계 디바이스는 나노 스케일에서 전기 및 기계적 신호를 활용하여 작동되는 디바이스”라면서 “연구실에서는 수동소자의 소형화와 고기능화는 물론 소비전력을 획기적으로 절감할 수 있는 나노 디바이스의 활용 범위 확대를 목표로 광범위한 연구를 해오고 있다”고 설명했다. 현재 연구실에서는 나노공진기, 탄소기반 전송선, 나노바이오센서에 대한 기존 기술을 대체할 수 있는 기술개발을 연구과제로 삼고 있다. 최근 들어 나노 기술력 연구가 높은 수준으로 발전하면서 기존의 기술을 대체할 수 있는 나노 공정 및 정확한 구동기술이 절실히 요구되고 있는 상황이다. 현재 NEMD연구실은 나노디바이스의 설계 및 제작, 성능측정과 분석을 진행하며 활용 분야의 확대를 목표로 활발한 연구를 진행하고 있다. 전 교수는 “나노 공진기는 무선통신 분야에서 기기의 소형화와 요구되는 동작 전력을 최소화시킬 수 있는 기술로 기대를 받고 있다”면서 “나노 공진기는 매우 높은 기계적 반응도를 유지하는 동시에 극도로 높은 주파수 동작이 가능하기 때문에 센서, 필터, 발진기, 위상변환기로 큰 주목을 받고 있다”고 덧붙였다. 이전의 세계 각국의 연구에서는 주로 고진공, 저온 조건에서 공진기의 특성을 측정하여 상용화에 어려움을 가지고 있었으나 NEMD연구실에서는 나노 공진기 제작 기술과 상용화를 위한 상온, 상압에서의 구동 기술을 확보해 놓은 상태다. 이러한 노하우를 바탕으로 우수한 기계적, 전기적 특성을 갖고 있는 그래핀 복합 나노 공진기에 대한 연구를 추진하고 있다. NEMD연구실에서는 나노 공진기 외에도 2010년 노벨물리학상으로 주목받고 있는 2차원 탄소 구조체인 그래핀의 전자 디바이스 적용에 관한 연구도 함께 진행 중이다. 그래핀은 현재 반도체 산업에서 전송선으로 활용되고 있는 금속 소재인 구리를 대체할 것으로 기대되고 있는 소재다. 이는 그래핀이 현재 금속 중 가장 낮은 저항도를 가지고 있는 은(silver)보다 낮은 저항도를 가지고 있다는 전기적 특성 때문. 전 교수는 “그래핀의 우수한 특성을 활용하여 고주파 전기 신호에서 작동되는 RF 디바이스의 전송선 적용에 대한 연구에 박차를 가하고 있다”고 덧붙였다.

▲ 연세대학교 NEMD(Nano ElectroMechanical Device: 나노전자기계 디바이스)연구실

나노 디바이스의 바이오센서 적용 연구
최근 NEMD연구실에서는 나노 디바이스의 바이오센서 적용 연구에 심혈을 기울이고 있는 중이다. 전성찬 교수는 “바이오센서는 임상 및 식품 진단 등에서 고속감지와 최소의 크기 그리고 최소의 피분석물의 양 덕분에 많은 관심을 받고 있다”면서 “생물이 갖추고 있는 유기화합물과 같은 물질의 농도를 측정하는 도구로 이용되어 다양한 분야에 응용되며 특히 측정기, 발효공법, 식품공업, 환경보존 등에 상당부분 차지할 것으로 예상된다”고 설명했다. 이에 NEMD연구실에서는 바이오센서의 소형화를 위해 마이크로 및 나노 사이즈의 소재를 이용하며, 이를 통해 바이오센서 소자 자체의 전기 전도도 및 전자의 자유 이동도를 향상시켜 전기신호의 저항에 의한 손실을 극도로 줄이고 작은 전기적 특성의 변화를 실시간으로 감지해 낼 수 있는 극민감 바이오센서를 개발하고 있다. 연구실에서 진행해온 그래핀 소재를 통한 고효율 에너지 전송선 개발에도 진전이 있다. 그래핀의 상용화를 좀 더 앞당길 수 있는 방안으로 제시되고 있는 산화그래핀이라는 그래핀 관련 물질로 전송선 적용에 대한 연구를 진행, 산화그래핀이 금속인 금보다도 고주파 전송 특성에 우수하다는 결과를 얻었다. 이 연구결과는 그래핀 소재를 통한 고효율 에너지 전송선의 개발 및 상용화 가능성을 높여, 그 우수성을 인정받아 Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology에 research highlight되었으며 Nature지에 온라인 저널로 발표되는 Nature Publishing grup-Asia Material에 research highlight로 선정되어 소개되기도 했다. 전 교수는 “기존 연구소자의 한계를 뛰어넘는 새로운 소자개발을 위해 연구역량을 집중할 것”이라고 포부를 밝혔다. NM