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2025-04-04 (금)

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[신소재 신기술(158)] 반도체 나노플레이트 약점 활용 나노스케일 조립 기술 혁신

카드뮴 셀레나이드(CdSe) 나노플레이트의 취약점을 활용한 혁신적인 반도체 나노스케일(구조체) 조립 기술이 개발됐다. 카드뮴 셀레나이드 나노판은 혁신적인 전자 소재 개발의 유망한 기반으로 주목받고 있다. 특히, 이 나노판은 원자 몇 개 두께에 불과한 초박형 구조로 뛰어난 광학적 특성을 제공해 전 세계 연구자들의 관심을 끌고 있다. 독일 헬름홀츠 드레스덴-로젠도르프 센터(HZDR), 드레스덴 공과대학교(TU Dresden), 라이프니츠 고체 및 재료 연구소 드레스덴(IFW) 공동 연구팀은 카드뮴 셀레나이드 나노판의 체계적인 생산을 위한 중요한 진전을 이루었다고 웹사이트 PHYS가 전했다. 카드뮴 셀레나이드 나노판은 빛이나 공기에 노출될 경우 표면 산화 또는 구조 변화가 발생해 광학적 특성이 저하될 수 있는 취약점이 있다. 특히 고온이나 습도가 높은 환경에서는 광학적 안정성이 더욱 떨어질 수 있다. 또한 제조 과정이 어려워 균일한 형태와 크기의 카드뮴 셀레나이드 나노판을 대량 생산하는 것은 기술적으로 힘들다. 게다가 카드뮴 셀레이트 나노판의 표면을 안정화하거나 다른 물질과 결합하는 과정에서도 어려움이 발생할 수 있다. 연구팀은 학술지 '스몰(Small)'에 카드뮴 셀레나이드 나노판 구조와 기능 간의 상호 작용에 대한 기초적인 통찰력을 얻었다고 발표했다. 연구에 따르면 카드뮴 기반 나노판은 근적외선(NIR)과 특정 상호 작용을 통해 빛을 흡수, 반사, 방출하거나 다른 광학적 특성을 나타내는 2차원 물질 개발에 적합하다. 이러한 스펙트럼 범위는 다양한 기술 분야에서 활용될 수 있다. 예를 들어, 의료 진단에서는 NIR 빛이 가시광선보다 조직에서 산란이 적어 조직 내부를 더 깊이 관찰할 수 있다. 통신 기술에서는 고효율 광섬유 시스템에 NIR 물질이 사용되며, 태양 에너지 분야에서는 광전지 효율을 높일 수 있다. HZDR 이온빔 물리학 및 재료 연구소의 리코 프리드리히 박사 겸 드레스덴 공과대학교 이론 화학과 교수는 "원하는 광학적 및 전자적 특성을 나타내도록 물질을 특정하게 변형하는 능력은 이러한 모든 응용 분야에서 매우 중요하다"고 말했다. 드레스덴 공과대학교 물리 화학과의 알렉산더 아이히뮐러 교수는 "과거에는 나노 화학 합성이 시행착오를 통해 물질을 혼합하는 것에 가까웠기 때문에 어려움이 있었다"고 덧붙였다. 두 과학자는 공동으로 협력해 이번 연구 프로젝트를 이끌었다. 정밀한 나노 입자 생산을 위한 양이온 교환 여기서 특별한 과제는 나노 구조체의 폭과 길이를 변경하지 않고 원자층의 수와 조성을 특정하게 제어하여 두께를 조절하는 것이다. 이러한 복잡한 나노 입자 합성은 재료 연구의 핵심 과제이다. 양이온 교환은 이러한 문제를 해결하는 데 중요한 역할을 했다. 이 방법에서는 나노 입자의 특정 양이온(양전하를 띤 이온)을 다른 이온으로 체계적으로 대체한다. 아이히뮐러 교수는 "이 과정은 조성과 구조를 정밀하게 제어하여 기존 합성 방법으로는 얻을 수 없는 특성을 가진 입자를 생산할 수 있게 한다. 그러나 이 반응의 정확한 작동 방식과 시작점에 대해서는 알려진 것이 거의 없다"고 설명했다. 이번 프로젝트에서 연구팀은 활성 모서리가 중요한 역할을 하는 나노판에 초점을 맞췄다. 이러한 모서리는 화학적으로 특히 반응성이 높아 판들을 조직화된 구조로 결합할 수 있다. 이러한 효과를 더 잘 이해하기 위해 연구팀은 정교한 합성 방법, 원자 분해능 (전자)현미경, 광범위한 컴퓨터 시뮬레이션을 결합했다. 나노 입자의 활성 모서리와 결함은 화학적 반응성뿐만 아니라 광학적 및 전자적 특성으로도 흥미롭다. 이러한 위치는 종종 전하 운반체의 농도가 높아 운반체의 이동과 빛의 흡수에 영향을 미칠 수 있다. 프리드리히 박사는 "단일 원자 또는 이온을 교환하는 능력과 결합하여 단일 원자 촉매에서 이러한 결함을 활용하여 개별 원자의 높은 반응성과 선택성을 활용하여 화학 공정의 효율성을 높일 수 있다"고 설명했다. 이러한 결함의 정밀한 제어는 나노 물질의 NIR 활성에도 중요하다. 이는 근적외선이 흡수, 방출 또는 산란되는 방식에 영향을 미쳐 광학적 특성을 체계적으로 최적화할 수 있는 방법을 제공한다. 나노 구조체 연결, 자기 조직화를 향한 발걸음 이 연구의 또 다른 결과는 활성 모서리를 통해 나노판을 체계적으로 연결하여 입자를 정렬되거나 자기 조직화된 구조로 결합할 수 있다는 것이다. 미래 응용 분야에서는 이러한 조직화를 활용하여 NIR 활성 센서 또는 새로운 유형의 전자 부품과 같은 통합 기능을 갖춘 복잡한 재료를 생산할 수 있다. 실제로 이러한 재료는 센서 및 태양 전지의 효율성을 높이거나 새로운 데이터 전송 방법을 용이하게 할 수 있다. 동시에 이 연구는 촉매 또는 양자 재료와 같은 나노 과학의 다른 분야에 대한 기초적인 통찰력을 제공한다. 연구팀의 이번 발견은 최첨단 합성, 실험 및 이론적 방법의 조합 덕분에 가능했다. 연구자들은 나노 입자의 구조를 정밀하게 제어할 수 있을 뿐만 아니라 활성 모서리의 역할을 자세히 조사할 수 있었다. 원자 결함 분포 및 조성 분석 실험은 재료 특성에 대한 포괄적인 이해를 얻기 위해 이론적 모델링과 결합됐다. ◇ 참고: 볼로디미르 샴라옌코 외, 반도체 나노판의 취약점: 격리된 결함에서 방향성 나노 스케일 어셈블리로, 스몰 (2024). DOI: 10.1002/smll.202411112
- IT/바이오
2025-02-28 13:43:00
[신소재 신기술(51)] '영원한 전자제품' 약속하는 실내 태양전지 기술 등장

스웨덴 태양전지 전문회사 익제거(Exeger)가 실내의 약한 빛에서도 작동되는 혁신적인 태양전지 제품을 내놓았다고 인디펜던스가 최근 보도했다. 익제거의 광전지 소재 파워포일(Powerfoyle)은 헤드폰에서 테블릿에 이르기까지 다양한 장치에 통합할 수 있어 일회용 배터리와 케이블이 필요하지 않다. 북극에 가까운 곳에 위치한 스웨덴은 겨울철에 빛이 부족하다는 점이 익제거의 공동 설립자 조반니 필리(Giovanni Fili)가 태양을 넘어 태양광 전지의 유일한 동력원으로 눈을 돌리게 된 이유 중 하나였다. 그의 획기적인 기술은 직사광선부터 촛불에 이르기까지 거의 모든 광원에서 전기를 얻을 수 있다. 달빛으로도 전력을 생산할 수 있지만, 실제로 사용하기까지는 시간이 좀 걸린다고 이 매체는 덧붙였다. 스톡홀름 북쪽 변두리에 있는 한 공장에서는 6초마다 한 장당 수천 유로에 달하는 일급 비밀 프린터가 시트를 뿜어내고 있다. 각 시트에는 108개의 소형 태양 전지가 들어 있으며, 곧 키보드에서 헤드폰에 이르기까지 일상적인 기기에 적용될 것이다. 익제거의 파워포일 태양광 전지는 기존의 유리로 덮인 패널과는 완전히 다른 구조를 가지고 있으며, 전도체 역할을 하는 은 선을 제거했다. 또한 부분적인 그림자에 민감하지 않아 광전지 패널의 효율성을 크게 저하시키는 문제를 개선했다. 이 특허받은 재질은 거의 모든 재질로 변형되어 헤드셋, 스피 등 다양한 제품에 완벽하게 통합될 수 있으며 방수, 방진, 내충격성을 제공한다. 필리는 인디펜던스와의 인터뷰에서 "거의 칠흑같이 어두운 해저의 해조류처럼, 우리는 아주 적은 광자를 효율적으로 사용할 수 있다"고 말했다. 그가 입고 있는 티셔츠에는 회사의 기술이 전 세계 문제를 동시에 해결할 수 있는 "세상을바꾸는 기술"이라고 적혀 있었다고 이 매체는 전했다. 익제거는 현재까지 헤드폰, 무선 스피커, 자전거 헬멧 등 7개의 제품에 파워포일 태양광 전지를 적용했으며, 6개 제품의 추가 출시를 발표했다. 아디다스, 필립스, 3M 등이 익제거의 교객이며, 로지텍과 애플도 논의 중인 것으로 알려졌다. 익제거는 특히 일회용 배터리 사용을 대폭 줄이거나 완전히 없앨 수 있단느 점을 강조하고 있다. 이는 특히 스마트 홈 분야의 혁신을 가져올 수 있다. 실제로 TV 리모컨만 해도 매년 31억 개의 일회용배터리가 버려지고 있으며, 익제거의 기술은 폐배터리 오염 등의 문제를 해결하는 데 기여할 수 있다. 이 회사의 파워포일은 다양하고 내구성이 뛰어나 노트북이나 스마트폰과 같은 고전력 장치를 제외하고는 거의 모든 전자기기에 적용될 수 있다. 또한 기존 배터리의 사용 시간을 50~100% 늘릴 수 있다. 또한 익제거는 가끔 사용하는 사용자라면 전혀 충전할 필요가 없는 태양광 전지 태블릿 커버 개발도 진행하고 있다. 미국 경제매체 포브스는 필리를 아마존 창업자 제프 베이조스, 마이크로소프트(MS) 창업자 빌 게이츠, 전기 자동차 테슬라의 최고경영자(CEO) 일론 머스크와 동일한 인물에 비유하기도 했다. 한편, 익제거의 태양광 전지 기술은 태양전지를 생산하는 프린터와 마찬가지로 철저히 비밀로 유지되고 있다. 현재 스톡홀름 공장에서 매분당 수천개씩 인쇄되고 있는 파워포일의 용도조차도 일반에게 아직 공개되지 않고 있다. 필리는 "이것은 정말 엄청난 일이다. 우리는 세계 최대의 키보드 및 마우스 공급 업체와 계약을 확보했으며, 이미 세계 유수 기업 및 브랜드와 파트너십을 맺었다"고 밝혀 키보드 제품이 사용도리 것임을 암시했다. 그는 "우리 손주들은 케이블이 있었다고 웃을 것"이라면서 "이 기술은 세계를 장악할 것"이라며 자신감을 드러냈다.
- IT/바이오
2024-05-28 15:25:00
[신소재 신기술(43)] 투명 소재로 광전지 새로운 가능성 열어

독일 라이프치히 물리학자들이 빛이 반투명 물질에서도 전기를 생성한다는 것을 증명했다. 반투명 소재는 빛에 노출되면 빛의 흡수량이 매우 적더라도 전기를 생성할 수 있는 것으로 알려져 있다. 일부 물질은 특정 주파수의 빛에 투명하다. 이러한 물질에 빛을 비추면 이전의 가정과는 달리 전류가 생성될 수 있다. 라이프치히 대학교와 싱가포르 난양공과대학교의 과학자들이 이를 증명하는 데 성공했다고 오일프라이스가 전했다. 이 연구 결과는 '피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)' 저널에 발표됐다. 이번 발견은 광전자 및 광전지 분야에 혁명을 일으킬 잠재력을 가지고 있다. 라이프치히 대학교 이론물리연구소의 인티 소데만 빌라디에고 교수는 "이는 광 증폭기, 센서, 태양전지와 같은 광전자 및 광전소자를 구성하는 데 새로운 패러다임을 열었다"고 말했다. 그의 동료인 시 리쿤은 "물질의 빛 흡수량이 매우 작은 경우에도 빛으로 전류를 구동하는 것이 가능하다. 이것은 중요한 새로운 통찰력이다"라고 전했다. 플로케 페르미 액체 인티 소데만 빌라디에고와 그의 동료들은 '플로케 페르미 액체(Floquet Fermi liquid)' 상태를 조사했다. 페르미 액체는 많은 양자 역학적 입자의 특수한 상태로, 일반적인 고전적인 입자와는 매우 다른 특성을 가지고 있다. 즉, 페르미 액체는 금이나 은과 같은 금속 속 전자의 전기 유체와 같은 일반적인 물질부터 저온에서 헬륨-3 원자의 유체와 같은 보다 이색적인 상황에 이르기까지 다양한 상황에서 발생할 수 있다. 이러한 액체는 저온에서 전기의 초전도체가 되는 등 '놀라운 특성'을 나타낼 수 있다. 플로케 페르미 액체는 시간 주기적으로 변화하는 외부 힘에 의해 영향을 받는 특수한 유형의 금속 상태다. 페르미 액체는 낮은 온도에서 전자들이 마치 자유롭게 움직이는 액체처럼 행동하는 금속 상태이다. 전자 상호작용은 약하며, 전자들은 페르미 에너지로 알려진 특정 에너지 수준에 집중된다. 플로케 페르미 액체는 시간 주기적으로 변화하는 외부 힘에 의해 페르미 액체가 영향을 받는 상태이다. 이러한 힘은 전자의 운동에 영향을 미치고 새로운 에너지 상태를 생성할 수 있다. 외부 힘은 특정 주기로 진동하며, 이를 '시간 주기성'이라고 한다. 예를 들면 레이저 빛, 자기장, 전기장 등이 외부의 힘에 해당된다. 또한 외부 힘은 전자의 에너지 스펙트럼에 새로운 에너지 상태를 생성한다. 이러한 새로운 상태는 '플로케 밴드'라고 불린다. 플로케 페르미 액체는 외부 힘에 비선형적으로 응답한다. 다시 말하면, 외부 힘의 크기에 따라 응답의 크기가 비례하지 않다. 외부 힘의 강도에 따라 플로케 페르미 액체는 절연체 또는 초전도 상태 등 다른 물질 상태로 변화할 수 있다. 플로케 페르미 액체의 응용 분야 플로케 페르미 액체는 광전자 소자, 예를 들어 태양 전지 및 LED의 성능 향상에 사용될 수 있다. 또 양자 컴퓨터 구현에 사용될 수 있는 새로운 유형의 큐비트를 제공할 수 있다. 아울러 고온 초전도 현상을 이해하는 데 도움이 될 수 있다. 플로케 페르미 액체는 아직 연구 초기 단계이지만, 다양한 분야에서 혁신적인 응용 가능성을 가지고 있는 흥미로운 물질 상태이다. 소데만 빌라디에고 교수는 "우리 논문에서는 이러한 유체 상태의 몇 가지 특성을 설명한다"면서 "이를 연구하기 위해서는 빛에 의해 흔들리는 전자의 복잡한 상태에 대한 상세한 이론적 모델을 개발해야 했는데, 이는 결코 쉬운 일이 아니다"고 말했다.
- 포커스온
2024-05-07 16:50:00