고속 이온 유동 이용 시 소자 성능 향상
100nm 이하의 높이를 가진 나노채널(Nano Channel)에서는 유체(Fluid, 액체 또는 기체)가 지나갈 수 있는 통로에서 마이크로 크기의 채널에서 볼 수 없는 이온 중첩과 분리, 음압(Negative Pressure) 유동, 유체 및 이온의 고속 이송 등과 같은 특이한 현상이 발생해 수처리 멤브레인, 이온 필터, 배터리, 센서 등에 활용할 수 있지만, 현재 제작되고 있는 나노채널은 유속이 느리다는 문제점을 갖고 있다. 여기서, 나노채널이란 나노 사이즈(0.1∼100nm)의 채널을 말한다. 채널 모양에서 가로, 세로, 높이 중 한 부분만 nm 사이즈를 갖고 있어도 나노 채널이라고 한다.
이와 관련, 고려대 한창수 교수 연구팀은 5nm 이하의 그래핀 나노채널에서 이온유체가 100배 빨리 지나간다는 사실을 발견했다. 그리고 대량 생산이 가능한 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition)으로 다양한 크기 및 대면적 사이즈의 그래핀 나노채널을 제작해 기존 나노채널에서 보다 약 115배 이상 빠른 이온 이송도를 구현하기에 이르렀다.
특히 5nm 사이즈 이하의 나노채널에서는 이온선택성(Ion Selectivity)에 의해 특정 이온만 채널을 통과할 수 있으며, 그래핀의 고유 특성으로 전기삼투 유동(Electroosmotic Flow: 전압의 차이에 따라 일어나는 삼투 현상에 의한 유동을 말한다. 용액 속 이온이 전위차에 의해 이동할 때 용매 분자를 끌고 가기 때문에 발생한다) 현상이 크게 극대화되는 것으로 분석됐다.
이와 같이 나노채널에서 고속 유동의 가능성을 발견함에 따라, 향후 그래핀 나노채널을 활용해 해수 담수화, 에너지 하베스팅, 생체 이온 채널 모사, 신개념 이온 트랜지스터, 센서 등의 분야에서 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대된다. 지금까지는 친수성을 가진 표면 위주의 연구가 주를 이루었다. 이 연구는 미래창조과학부 나노소재기술개발사업 지원으로 수행됐다.
▲ 그림 1. 그래핀 나노채널 디자인 및 제작 프로세스(a: 그래핀 직접 전사 방법을 이용한 그래핀
나노채널 제작 공정도, b: 어노딕 본딩을 이용한 그래핀 나노채널 접합도, c: 그래핀 나노 유
체채널로 사용된 채널의 표면 형상에 제작된 그래핀 나노채널 광학 이미지, d: 표준편차를 이
용한 나노채널의 균일도, e: 그래핀 나노 유체채널로 사용된 채널의 표면 형상, f: 제작된 그래
핀 나노채널 장치의 사진
친수성 나노채널에서 3.6nm 이온 이송도 구현
최근 소수성을 가진 탄소나노튜브를 이용해 나노채널을 제작한 결과, 4만 배 이상 유속이 빨라지는 것을 실험적으로 확인했다. 그러나 채널 크기, 길이 및 다양한 형상을 제작하는 데 큰 문제가 있어 소수성 채널의 유효성을 검증하기 어려웠지만, 연구팀에서는 5nm 이하 높이의 그래핀 나노채널을 제작함으로써 다양한 연구를 할 수 있게 됐다.
대량 생산이 가능한 Chemical Vapor Deposition(CVD) 방법으로 구리 포일 위에 성장된 단일층 그래핀을 이용해 3.6nm, 10nm, 50nm 높이를 가진 다양한 크기의 나노유체채널을 제작했다.
그래핀 표면의 불순물을 제거하기 위해, 폴리머와 같은 캐리어 물질 코팅 없이 그래핀을 전사하는 직접전사 기법을 개발했다. 또한 상, 하부의 기판을 접합하기 위해 추가적인 에폭시와 같은 접합 물질을 사용하지 않고 고전압, 고온에서 그래핀과 실리카 간의 C-O(Carbon-Oxygen) 본딩을 이용해 채널 접합을 구현했다.
연구팀은 제작된 그래핀 나노채널을 이용해 기존 실리카로 된 친수성 나노채널에서 보다 약 115배 이상 빠른 이온 이송도(3.6nm)를 구현했다. 이는 나노채널을 구성하는 그래핀의 고유한 특성에 기반한 것으로 소수성, 평평함, 큰 유동 미끄럼 길이(Slip Length) 등에 기초해 전기삼투 유동 현상이 극대화되는 것으로 분석된다.
▲ 그림 2. 나노채널 위 그래핀의 라만 스펙트럼(a: 나노채널에서 그래핀 어노딕 본딩 전·후 라만
특성, b: 본딩 접합 계면에서 그래핀 어노딕 본딩 전, 후 라만 특성, c: 어노딕 본딩 전후로 그래
핀의 소수성 변화, d: 접합 계면에서의 XPS Data, e: 나노채널 부위에서의 그래핀 XPS Data
기존 실리카 채널보다 고속 유동 115배 빨라
이온 유체가 빠르게 지나갈 수 있는 5nm 이하의 그래핀 나노유체채널을, 반도체 공정을 통해 대면적을 구현하여 고속 이온 유동 흐름에 대해 관측한 것은 학계에 처음 보고된 사항으로 이는 ‘나노채널 표면 특성에 기초한 이온선택성(Ion Selectivity)을 통한 효과적인 고속 수처리 멤브레인’, ‘이온 이송량에 비례하여 발전이 이루어지는 유동기반 에너지 하베스트, 또는 이온기반 배터리’ 등의 기술 개발에서 소자 성능을 향상시키고 효율을 높이는 데 핵심기술이 될 수 있다.
특히 기존의 실리카 채널보다 고속 유동이 약 115배 이상 빠른 값을 나타낸다는 사실은, 기존에 이론으로만 예상됐던 현상을 실제 분석할 수 있다는 중요한 시사점을 갖고 있다.
나노채널에서의 유동 현상은 외부 전압, 이온 농도, 채널 사이즈 등에 크게 영향을 받으며, 특히 전기 이중층(Electrical Double Layer)이 오버랩되는 작은 채널일수록 실리카 채널 대비 큰 이온 이동도를 보였다. 여기서, 전기 이중층이란, 플러스 마이너스로 전기를 띠게 한 층이 하나의 면을 사이에 두고 상대해 양 전하의 절대값이 같은 상태인 경우를 의미한다.
이번 연구에서는 마이너스 전하를 가진 그래핀 표면 위에 양전하인 Na＋, H＋ 이온들이 그래핀 표면에 끌려 전기적인 중성을 만드는 층을 전기 이중층이라고 칭한다. 연구팀이 개발한 그래핀 기반 나노채널은 외부의 다양한 요소를 추가적으로 제작하여 결합할 경우 이온의 고속 이동 현상을 응용해 다양한 센서소자를 구현할 수 있다. 또한, 탄소 나노물질에서 이온 용액의 움직임에 의해 발생하는 전압 발생 현상의 경우 이온 용액의 속도에 비례하므로, 고속 유동이 발생할 경우 매우 큰 전력을 수확할 수 있을 것으로 기대된다.
정리: 김희성 기자(npnted@hellot.net)
