▲ 고승환 서울대 교수 .

국내 연구진이 산화된 금속와이어를 레이저로 재활용할 친환경·경제적인 원천 기술 확보해 향후 태양전지·배터리·슈퍼커패시터등 에너지 분야 도움이 될 것으로 보인다.

미래창조과학부(장관 최양희) 및 한국연구재단(이사장 정민근)은 서울대 고승환 교수 연구팀과 미국 일리노이대 한승용 박사 등이 이 레이저를 이용해서 상온에서 산화된 금속나노와이어를 원래의 모습으로 되돌리고 반복 사용도 가능한 재활용 공정을 처음 개발했다고 밝혔다.

특정금속들은 상온이나 고온의 습한 환경에서 장기간 노출되면 산화되어 전기전도성을 잃게된다. 이러한 특성으로 산화된 금속은 전극으로써의 가치가 없다고 여겨졌지만 최근 금속산화물이 오히려 고유의 특성과 상온의 안정성으로 다양한 센서와 반도체 소자로 활용된다고 주목 받고 있었다.

연구진은 환원제가 묻어있는 산화금속(본 연구에서는 산화구리) 나노와이어 박막에 레이저빔을 집중적으로 쪼이면 레이저의 광에너지가 열에너지로 바뀌면서 산화금속의 전자가 갖는 에너지도 증가한다. 전자의 에너지가 계속 증가해 어느 선을 넘게 되면 환원반응을 일으키게 된다.

이번 공정에서 사용된 환원제는 –OH(수산화이온)를 가지는 대부분의 용액으로, 광․열에너지의 의해 금속산화물의 산소와 결합하여 H2O(물)를 생성하고 금속이온을 다시 금속으로 분리해냈다.

이번에 개발한 공정은 레이저를 이용하여 나노물질을 가공하거나 재활용하는 원천기술이 될 수 있다. 환원시켜 재활용한 금속이 다시 산화되면 공정을 반복해서 적용할 수 있다는 장점도 있다.

개발된 공정을 이용해 구리산화물 기반의 전자 소자를 만들면, 구리 및 구리 산화물이 현재 소자 재료로 많이 사용되고 있는 금, 은 보다 100배 가까이 저렴하기 때문에 가격적인 경쟁력도 확보할 수 있다.

태양전지, 배터리, 슈퍼커패시터 등의 에너지 관련 분야에서 특히 각광받을 것으로 예상되는 본 기술은, 전극 및 활성물질을 단 한 번의 공정으로 제작 할 수 있어 구리 기반 소자 제작의 가격경쟁력을 크게 높일 것으로 기대된다.

서울대 고승환 교수는 “전극과 활성화 물질을 동시에 상온에서 쉽고 빠르게 원하는 모양으로 구현 할 수 있는 공정을 개발했다는데 큰 의미가 있다”라고 밝히고, “이번 연구 성과를 더욱 발전시켜 금속산화물을 전자 소자 제작에 바로 적용할 수 있는 공정으로 범위를 확대 할 나갈 것이다”라고 앞으로의 계획을 밝혔다.

한편, 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업을 통해 지원되었으며, 연구결과는 나노과학 분야의 권위 있는 학술지어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials) 온라인판 9월 15일자에 게재되었다.

▲ (a)“나노재활용” 공정 개략도. (b)각 공정 단계의 실제 사진. i) 순수 구리나노와이어 필름 모습. ii)공기 중 산소에 의해 산화된 구리산화 나노와이어 필름 모습. iii) 환원제에 젖은 산화구리 나노와이어 필름에 집광된 레이저 빔 모습. iv) 광열화학반응에 의해 다시 구리 나노와이어로 환원된 모습 (오른쪽 반원)..