최만수 교수님 연구실: 멀티스케일 에너지 시스템 실험실

연구실 대표 신주연, 정우익 연구원

Q1. 연구실의 주된 연구 분야는 무엇이고, 구체적인 예시로는 무엇이 있나요?
저희 연구실은 마이크로/나노 사이즈의 멀티스케일 구조물을 제작하여 에너지 디바이스에 응용하는 연구를 진행하고 있습니다. 연구 분야는 에어로졸, 페로브스카이트를 이용한 태양전지, 연료전지로 크게 3가지가 있습니다.
기체 중 부유하고 있는 나노입자를 제어하는 에어로졸 기술 분야의 경우, 나노입자의 크기 및결정상을 제어하여 발생시키고, 발생된 나노입자의 유동제어로부터 다양한 형상의 나노/마이크로 사이즈의 구조물을 제작하고 그 구조물의 특성 분석을 진행하고 있으며, 더 나아가 이를 메타물질, 센서, 소자 등 다양한 분야에 적용시키기 위한 연구가 진행되고 있습니다. 멀티스케일 구조물을 만들기 위한 에어로졸 기반 나노리스트 오버랩이 연구 중입니다.
차세대 반도체 물질인 페로브스카이트를 이용한 태양전지는 저렴하고 공정이 간단하지만 안전성 문제와 효율적 대면적 공정 기술의 부재가 존재하여 짧은 시간 내에 대면적을 균일하게 코팅할 수 있는 공정 기술 및 시스템 개발 연구와 멀티스케일 표면 및 전극 제작으로부터 효율과 안정성을 향상시킬 수 있는 기술 개발 연구가 진행되고 있습니다. 스프레이 코팅기술과 레이저 기반 열공정을 활용한 공정을 개발하고 있습니다.
수소 연료전지 분야의 경우 친환경적으로 에너지를 생산하는 장점이 있습니다. 현재, 멀티스케일 구조 개발, 기능성 계면 구조 형성, 고내구 탄소 담지체 합성 및 특성 분석 연구를 통해 연료전지의 제작 공정 개발에 관한 연구를 진행하고 있습니다. 이를 이용하여 고분자 전해질막 연료전지, 고체 산화물 연료전지 분야에 적용가능한 공정 기술 개발을 진행하고 있습니다. 소프트리소그래피 기술이 연구 중입니다

Q2. 연구실에서 보유하고 있는 특별한 장치 또는 설비가 있나요? 없다면 외부에서 자주 사용하는장비가 있나요?
나노 입자를 발생시키기 위한 스파크 챔버, 스파크 챔버에서 형성된 나노 입자를 정밀제어하여 3차원 구조물들을 자유롭게 만들 수 있는 3차원 나노 프린팅 장비, 페로스카이트 태양전지 코팅을 위한 대면적 스프레이 코팅기 등의 장치들을 연구실에서 직접 디자인하여 사용하고 있습니다.
또한 대면적 증착이 가능한 열 증착 클러스터, 마이크로 나노 구조물 특성을 평가할 수 있는 전계방출형 주사전자현미경 (FE-SEM), 주사탐침현미경(AFM) 등의 장비가 있어 대부분의 공정 및 분석을 연구실 내에서 바로 진행을 할 수 있습니다. 따라서 이 장비들과 더불어 입자를 발생시켜 원하는 멀티스케일 구조로 만들고 분석/평가하기 까지의 과정을 하나의 스텝으로 처리할 수 있는 시스템이 갖추어져 있습니다.

Q3. 선정된 대표연구에 대해 간략히 소개 부탁드립니다.
에어로졸 기반 3차원 나노리소그래피’ 기술이란, 하전된 나노입자의 유동을 유속 및 전기장으로 제어하여 원하는 사이즈와 모양의 3차원 나노 구조물을 만들 수 있는 기술입니다. 마이크로/나노 사이즈의 구조물들은 기하학적 특성으로부터 유도되는 고유한 기계적, 전자기학적, 광학적 특성을 가지는데 이를 활용하기 위해 원하는 형상의 구조물을 만들 수 있는 연구를 많이 하고 있습니다. 진공상태에서 이루어지거나 후처리 공정이 필요한 직렬 형식인 기존의 공정과 다르게 대기압에서 병렬 공정이 가능하고 구조물의 크기와 형상을 자유롭게 할 수 있다는 장점이 있어 최근 각광받고 있는 기술입니다. 현재는 한번의 공정에 프린팅 할 수 있는 면적을 대면적화 하기 위해 기존 저희 기술에서 업그레이드된 3차원 나노프린팅 시스템 개발을 하고 있으며 이를 통해 3차원 나노프린팅 기술의 상용화에 한 발 더 다가갈 수 있을 것으로 기대합니다.

Q4. 해당 연구를 진행하면서 가장 힘들었던 점과 이를 극복한 방법이 있나요?
비전도성 부유 마스크를 이용한 기존의 기술은 나노입자 제어에 중요한 역할을 하는 이온의 컨트롤이 어려워 제작되는 구조물의 형상 및 크기의 정밀제어에 제한이 있었습니다. 이를 해결하기 위해 이온에 의존하지 않고 나노입자를 제어할 수 있는 전도성 부유 마스크를 도입하여 기판과 마스크 사이 전기장의 세기를 직접 제어함으로써 극소 부위의 전기장을 정밀하게 컨트롤 할 수 있게 되었습니다. 이를 통해 기존보다 구조물의 형성과 크기를 더욱 정밀하게 제어할 수 있게 되었습니다.

MEch-SSENGER 구재현, 김인영