나노와이어

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1. 개요
2. 특성
3. 합성
- 3.1. 탑다운 방식
- 3.2. 바텀업 방식
4. 응용
참조

1. 개요

나노와이어는 종횡비가 1000 이상인 1차원 물질로, 벌크 물질과 다른 독특한 특성을 나타낸다. 나노와이어는 양자 구속 효과로 인해 불연속적인 전기 전도도를 보이며, 반도체, 유전체, 금속 등 다양한 재료로 제작될 수 있다. 이러한 특성을 바탕으로 전자, 광전자, 나노전기기계 장치, 센서, 에너지 분야 등 다양한 분야에서 활용된다. 나노와이어는 탑다운 또는 바텀업 방식으로 합성되며, 기계적 특성을 연구하기 위해 원자력 현미경과 같은 기술이 사용된다.

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나노와이어
일반 정보
나노와이어 구조
정의	나노미터 크기의 지름을 가진 와이어
재료	실리콘 탄소 갈륨비소 기타
응용 분야	나노 전자공학 생체 센서 에너지 저장 촉매
특성
크기	지름 1 ~ 100 나노미터
길이	마이크로미터 이상 가능
전기 전도도	재료 및 구조에 따라 다름
열 전도도	재료 및 구조에 따라 다름
제조 방법
종류	기상-액상-고상 (VLS) 성장법 화학 기상 증착법 (CVD) 용액 기반 합성법 레이저 어블레이션 자기 조립
응용
전자 공학	트랜지스터 센서 논리 회로
에너지	태양 전지 배터리 열전 장치
바이오	약물 전달 진단 조직 공학
추가 정보
관련 연구	재료 과학 나노 기술 화학
참고 문헌	Carter, Robin; Suyetin, Mikhail; Lister, Samantha; et al. (2014). "Band gap expansion, shear inversion phase change behaviour and low-voltage induced crystal oscillation in low-dimensional tin selenide crystals". Dalton Trans. 43 (20): 7391–9. doi:10.1039/C4DT00185K. PMID 24637546. Boston, R.; Schnepp, Z.; Nemoto, Y.; Sakka, Y.; Hall, S. R. (2014). "In Situ TEM Observation of a Microcrucible Mechanism of Nanowire Growth". Science. 344 (6184): 623–6. doi:10.1126/science.1251594. PMID 24812400.

2. 특성

나노와이어는 직경이 나노미터(nm) 수준인 매우 가느다란 선 형태의 구조를 가진 물질이다. 일반적으로 길이 대 너비 비율인 종횡비가 1000 이상으로 매우 길쭉하여, 종종 1차원(1-D) 물질로 간주된다.^[3] 두께는 수십 나노미터 수준이지만 길이는 수백 마이크로미터에 달할 수도 있다.^[3]

나노와이어는 크기가 매우 작기 때문에 양자역학적 효과, 특히 양자 구속 효과의 영향을 크게 받는다. 이로 인해 벌크(bulk) 상태, 즉 일반적인 3차원(3-D) 물질과는 매우 다른 독특한 전기적, 기계적, 광학적 특성을 나타낸다.^[3]^[68] 예를 들어, 나노와이어 내부의 전자는 움직임이 제한되어 벌크 물질과는 다른 불연속적인 에너지 준위를 갖게 되며, 이는 전기 전도도 등 전기적 특성에 큰 영향을 미친다.^[3] 이러한 특성들은 하위 섹션에서 더 자세히 다룬다.

나노와이어는 다양한 재료로 만들 수 있다. 대표적으로 실리콘(Si), InP, GaN과 같은 반도체, 니켈(Ni), 백금(Pt)과 같은 금속, SiO₂, TiO₂과 같은 절연체(유전체) 등이 있다. 또한 Mo₆S_9−''x''I_''x'', Li₂Mo₆Se₆와 같은 특정 무기 분자 형태의 나노와이어도 존재한다.^[3]

이러한 독특한 특성 덕분에 나노와이어는 전자, 광전자, 나노전기기계 장치(NEMS) 분야에서 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다. 또한 첨단 복합재의 성능을 높이는 첨가제, 나노 규모 양자 장치의 금속 상호연결, 전계 방출 소자, 생체 분자 나노센서 등 매우 폭넓은 응용 가능성을 가지고 있다.^[3]^[68] 구체적으로는 태양광 발전, 나노 발전기, 나노와이어 배터리, 열전 재료, 메모리 소자 등 차세대 기술 개발에 중요한 소재로 주목받으며, 금속, 반도체, 절연체, 초전도 물질 등 다양한 재료를 이용한 나노와이어 연구가 활발히 진행되고 있다.^[68]^[69]

2. 1. 양자 구속 효과

일반적인 나노와이어는 길이 대 너비 비율인 종횡비가 1000 이상으로 매우 길쭉한 형태를 가진다. 이 때문에 종종 1차원(1-D) 물질이라고 불린다. 나노와이어는 벌크(bulk) 또는 3차원(3-D) 물질에서는 볼 수 없는 독특하고 흥미로운 특성을 많이 나타낸다. 이는 나노와이어 내부의 전자가 측면 방향으로 양자적으로 구속되기 때문이다. 이러한 양자 구속 때문에 나노와이어의 전자는 벌크 물질에서 발견되는 연속적인 에너지 준위나 밴드와는 다른, 불연속적인 에너지 준위를 차지하게 된다.

나노와이어에서 나타나는 양자 구속 효과의 대표적인 결과 중 하나는 전기 전도도가 불연속적인 값을 갖는다는 점이다. 이러한 불연속적인 값은 나노미터 규모에서 전자가 이동할 수 있는 채널의 수가 양자 역학적으로 제한되기 때문에 발생하며, 그 값은 종종 전도도 양자의 정수 배수로 나타난다. 전도도 양자는 다음과 같다.

:

\frac{2e^2}{h} \simeq 77.41\; \mu S

이 전도도 값은 저항의 단위인 폰 클리칭 상수 (''R''_K = ''h''/''e''²)의 역수에 2를 곱한 값과 같다. 폰 클리칭 상수는 정수 양자 홀 효과를 발견한 클라우스 폰 클리칭의 이름을 따서 명명되었다.

나노와이어의 물성은 이처럼 양자역학적 효과의 영향을 크게 받기 때문에 벌크 물질의 물성과는 상당히 다르다.^[68] 이러한 특성 때문에 태양광 발전, 나노 발전기, 나노와이어 배터리, 열전 재료, 메모리 소자 등 다양한 분야에 응용될 가능성이 크다.^[68] 나노와이어를 이용한 기술 구현을 위해 금속, 반도체, 절연체, 초전도 물질 등 다양한 재료를 이용한 나노와이어 연구가 활발히 진행되고 있다.^[69]

2. 2. 전기적 특성

나노와이어는 종횡비(길이 대 너비 비율)가 일반적으로 1000 이상인 1차원(1-D) 물질로 간주된다. 나노와이어는 벌크 물질(3차원 물질)에서는 나타나지 않는 독특한 특성을 많이 보이는데, 이는 나노와이어 내부의 전자가 측면 방향으로 양자 구속(Quantum confinement)을 받기 때문이다. 이로 인해 전자는 벌크 물질의 연속적인 에너지 밴드와 달리 불연속적인 에너지 준위를 가지게 된다.

이러한 양자 구속 효과는 나노와이어의 전기 전도도가 불연속적인 값을 갖게 되는 주요 원인이다. 이 불연속적인 값들은 나노미터 규모에서 전자가 이동할 수 있는 채널의 수가 양자 역학적으로 제한되기 때문에 발생하며, 그 값은 종종 전도도 양자(Conductance quantum)의 정수 배수로 나타난다. 전도도 양자는 다음과 같다.

:

\frac{2e^2}{h} \simeq 77.41\; \mu S

여기서 ''e''는 기본 전하, ''h''는 플랑크 상수이다. 이 값은 폰 클리칭 상수(von Klitzing constant, ''R''_K = ''h''/''e''²)의 역수에 2를 곱한 값과 같으며, 정수 양자 홀 효과를 발견한 클라우스 폰 클리칭의 이름을 따서 명명되었다.

일반적으로 나노와이어의 전도성은 동일한 물질의 벌크 상태보다 상당히 낮을 것으로 예측된다. 몇 가지 물리적 이유가 있다.

첫째, 경계면에서의 산란이다. 나노와이어의 폭이 벌크 물질에서 전자의 평균 자유 경로(mean free path)보다 작아지면, 전자들이 와이어 경계면에 더 자주 부딪혀 산란하게 된다. 예를 들어, 구리의 평균 자유 경로는 약 40nm인데, 이보다 얇은 구리 나노와이어에서는 전자의 평균 자유 경로가 와이어 폭 수준으로 짧아져 전도성이 감소한다. 은 나노와이어 역시 벌크 은과는 매우 다른 전기적, 열적 전도성을 보인다.^[33]

둘째, 가장자리 효과(edge effect)이다. 나노와이어 표면에 위치한 원자들은 내부 원자들과 달리 주변 원자들과 완전히 결합하지 못한 상태일 수 있다. 이러한 불완전한 결합은 나노와이어 내부에 결함(defect)으로 작용하여 전자의 흐름을 방해하고, 결과적으로 벌크 물질보다 전기를 덜 잘 통하게 만든다. 나노와이어의 크기가 작아질수록 전체 원자 수 대비 표면 원자의 비율이 높아지므로, 가장자리 효과는 더욱 중요해진다. 이는 전자가 거의 저항 없이 이동하는 탄도 수송(ballistic transport)이 가능한 탄소 나노튜브와는 다른 특성이다.

나노와이어의 전도도는 와이어에 수직인 방향으로 서로 다른 전자 파동 함수를 가지는 여러 개의 독립적인 '채널(channel)'을 통한 전하 수송의 합으로 설명할 수 있다. 와이어가 가늘어질수록 전자가 이동할 수 있는 채널의 수가 줄어든다. 폭이 원자 몇 개 수준으로 매우 가는 나노와이어의 경우, 전도도는 양자화(quantization)되어 전도도 양자 ''G''₀ = 2''e''²/''h'' 의 정수배에 해당하는 불연속적인 값만 가질 수 있다. 이러한 전도도의 양자화는 두 전극 사이에 나노와이어를 매달고 점차 길게 늘이는 실험을 통해 관찰되었다. 와이어의 직경이 줄어듦에 따라 전도도가 불연속적으로(단계적으로) 감소하며, 각 단계의 평탄한 구간에서의 전도도 값은 대략 ''G''₀의 정수배에 해당한다.^[34]^[35]

전도도의 양자화 현상은 금속 나노와이어보다 실리콘(Si)이나 갈륨 비소(GaAs) 같은 반도체 나노와이어에서 더 뚜렷하게 나타난다. 이는 반도체가 금속에 비해 전자 밀도가 낮고 유효 질량(effective mass)이 작기 때문이다. 예를 들어, 폭 25nm 정도의 실리콘 핀(fin) 구조에서 이러한 양자화 효과가 관찰되었으며, 이는 MOSFET과 같은 트랜지스터 소자에서 문턱 전압(threshold voltage)을 증가시키는 결과를 초래한다. 즉, 디지털 회로에 사용될 때 이러한 나노 스케일 실리콘 핀을 가진 트랜지스터는 작동시키기 위해 더 높은 게이트 전압이 필요하게 된다.^[36]

2. 3. 기계적 특성

원자력 현미경(AFM)과 관련 기술의 발전으로 나노와이어의 역학 연구가 활발해졌다. 이를 통해 외부 힘에 대한 나노와이어의 반응을 직접 관찰하고 측정할 수 있게 되었다.^[41] 예를 들어, 나노와이어 한쪽 끝을 고정하고 다른 쪽 자유 끝을 AFM 팁으로 밀어 변형시키는 방식이다. 이 캔틸레버(cantilever) 구조에서 AFM 팁의 이동 거리와 가해진 힘을 정확히 알 수 있다. 나노와이어의 크기 정보를 이용하면, 힘-변위 곡선을 만들고 이를 응력-변형률 곡선으로 변환할 수 있다. 이 곡선을 통해 탄성 계수의 일종인 영률, 인성, 변형 경화 정도 등 중요한 기계적 특성을 파악할 수 있다.

응력-변형률 곡선은 인장 탄성 계수, 항복 강도, 극한 인장 강도, 파괴 강도를 포함한 모든 관련 기계적 특성을 제공한다

응력-변형률 곡선의 탄성 영역 기울기인 영률은 나노와이어의 미세 구조에 크게 영향을 받는다. 따라서 직경 변화에 따른 영률 변화를 명확히 설명하기는 어렵다. 연속체 역학 이론을 적용하면, 영률(

E

)은 직경(

D

)에 따라 다음과 같이 변할 것으로 예측된다:

E=E_{0}[1+4(E_{0}/E_{s}-1)(r_{s}/D-r_{s}^{2}/D^{2})]

. 여기서

E_{0}

는 벌크(덩어리) 상태의 영률,

E_{s}

는 표면층의 영률,

r_{s}

는 표면층의 두께이다.^[41] 이 식에 따르면 직경이 작아질수록 영률은 증가해야 한다. 하지만 분자 역학 등 다른 계산 방법들은 오히려 직경이 감소하면 영률도 감소할 것으로 예측한다.

실험적으로는 금(Au) 나노와이어의 경우 영률이 직경에 거의 영향을 받지 않는 것으로 나타났다.^[42] 비슷하게, 나노압입 실험을 통해 측정한 은(Ag) 나노와이어의 영률(약 88 GPa)도 벌크 은의 영률(약 85 GPa)과 큰 차이가 없었다.^[43] 이는 나노와이어의 결정 구조가 벌크 상태와 매우 유사할 경우, 이론적으로 예측된 직경 의존성이 잘 나타나지 않음을 시사한다.

반면, 실리콘(Si) 나노와이어는 직경이 감소함에 따라 영률이 감소하는 경향을 보였다.^[44] 연구자들은 Si 나노와이어의 영률이 벌크 값의 절반 수준까지 떨어질 수 있으며, 이는 나노와이어 내부에 점 결함(point defect)이 많거나 화학적 조성이 달라졌기 때문일 수 있다고 설명했다.

응력-변형률 곡선에서 탄성 변형이 끝나고 소성 변형이 시작되는 지점은 항복 강도로 나타낸다. 재료의 강도는 내부 결함 수가 적을수록 증가하는데, 나노물질은 부피가 매우 작기 때문에 자연스럽게 결함 수가 적어 강도가 높다. 나노와이어가 원자 한 줄 수준으로 가늘어지면 이론적으로는 원자 간 결합력에 해당하는 분자 인장 강도까지 강해질 수 있다.^[41] 금 나노와이어는 이론적 한계 강도인

E/10

에 가까운 매우 높은 항복 강도를 보여 '초고강도(ultrahigh strength)' 물질로 불리기도 한다.^[42] 이러한 높은 강도는 나노와이어 내부에 전위(dislocation)가 거의 없기 때문이다. 전위는 재료가 변형될 때 움직이면서 소성 변형을 일으키는 주된 원인인데, 전위가 부족하면 '전위 기아(dislocation-starvation)' 상태가 되어 쉽게 변형되지 않는다. 따라서 전위가 생성되거나 움직이기 시작하기 전까지 매우 큰 응력을 견딜 수 있으며, 이후 변형 경화가 시작된다. 이런 특성 때문에 나노와이어(과거에는 '휘스커(whisker)'라고 불림)는 복합 재료의 강도를 높이기 위한 강화재로 널리 사용되어 왔다.^[41] 현재도 나노와이어의 우수한 기계적 특성을 MEMS나 NEMS 같은 초소형 장치에 응용하기 위한 연구가 활발히 진행 중이다.

3. 합성

나노와이어를 합성하는 방법에는 크게 두 가지 접근법이 있다. 하나는 탑다운(Top-down) 방식으로, 리소그래피,^[4]^[5] 밀링, 열 산화 등을 이용해 이미 존재하는 큰 재료를 작게 가공하여 나노 구조를 만드는 방법이다. 다른 하나는 바텀업(Bottom-up) 방식으로, 원자나 분자 단위의 구성 요소를 조립하여 나노와이어를 직접 성장시키는 방법이다. 현재 대부분의 나노와이어 합성 기술은 바텀업 방식을 기반으로 한다.

일반적으로 사용되는 바텀업 합성 기술로는 현탁법, 전기화학적 증착법, 증기 증착법, 기상-액체-고체(VLS) 성장법 등이 있다. 특히 이온 트랙 기술은 직경 8nm 수준까지 균일한 나노와이어를 성장시키는 데 사용될 수 있다.

초기 합성이 이루어진 후에는 나노와이어의 크기나 종횡비 등을 미세하게 조절하기 위해 열처리나 열 산화 같은 후처리 단계를 거치기도 한다.^[6] 바텀업 방식으로 합성된 나노와이어는 이후 특정 위치에 배치하는 픽앤플레이스(pick-and-place) 기술 등을 통해 소자에 통합될 수 있다.^[7]

3. 1. 탑다운 방식

나노와이어를 합성하는 방법에는 크게 두 가지, 즉 탑다운 방식과 바텀업 방식이 있다. 탑다운 방식은 리소그래피,^[4]^[5] 밀링 또는 열 산화와 같은 다양한 방법을 사용하여 큰 재료 조각을 작은 조각으로 줄여 나노와이어를 만드는 방법이다. 초기 합성이 이루어진 후에는 구조의 크기와 종횡비를 미세 조정하기 위해 종종 자체 제한 산화 형태를 포함하는 나노와이어 열처리 단계가 수행될 수 있다.^[6]

3. 2. 바텀업 방식

바텀업 방식은 구성 애텀을 결합하여 나노와이어를 합성하는 방법이다. 대부분의 나노와이어 합성 기술은 이 바텀업 방식을 사용한다. 초기 합성이 이루어진 후, 구조의 크기와 종횡비를 미세 조정하기 위해 종종 자체 제한 산화 형태를 포함하는 나노와이어 열처리 단계가 수행될 수 있다.^[6] 바텀업 합성이 완료된 후에는 픽앤플레이스 기술을 사용하여 나노와이어를 통합할 수 있다.^[7]

나노와이어 생산에는 현탁, 전기화학적 증착, 증기 증착, VLS 성장 등 여러 일반적인 실험실 기술이 사용된다. 이온 트랙 기술을 사용하면 직경 8nm까지의 균일하고 분할된 나노와이어를 성장시킬 수 있다. 나노와이어 산화 속도는 직경에 따라 제어되므로, 형태를 조정하기 위해 종종 열 산화 단계를 적용한다.

=== 기상-액체-고체 성장법 (VLS) ===

나노와이어를 제작하는 가장 일반적인 바텀업 기술 중 하나는 1964년 바그너와 엘리스가 처음 보고한 기상-액체-고체 성장법(VLS)이다. 이 방법은 원래 직경이 수백 나노미터에서 수백 마이크로미터에 이르는 실리콘 수염(whisker)을 제작하는 데 사용되었다.^[8] VLS 공정을 통해 다양한 반도체 재료로 고품질의 결정질 나노와이어를 생산할 수 있다. 예를 들어, 표면이 매끄러운 VLS 성장 단결정 실리콘 나노와이어(SiNWs)는 초고탄성과 같은 뛰어난 특성을 가질 수 있다.^[9] 이 방법은 레이저 제거 입자 또는 실란과 같은 공급 가스에서 얻은 소스 물질을 사용한다.

VLS 합성은 촉매가 필요하다. 나노와이어의 경우 가장 좋은 촉매는 액체 금속(금 등) 나노클러스터이며, 이는 탈습윤에 의해 얇은 필름으로부터 자체 조립되거나 콜로이드 형태로 구매하여 기판에 증착될 수 있다. 소스는 이러한 나노클러스터에 들어가 포화되기 시작한다. 과포화 상태에 도달하면 소스가 고체화되어 나노클러스터에서 바깥쪽으로 나노와이어가 성장한다. 소스를 차단하면 나노와이어의 최종 길이를 조절할 수 있다. 성장 단계에서 소스를 전환하면 교대로 배열된 물질의 초격자 구조를 가진 복합 나노와이어를 만들 수 있다. 예를 들어, UNC-채플힐의 Cahoon Lab에서 개발한 ENGRAVE(Encoded Nanowire GRowth and Appearance through VLS and Etching)^[10]라는 방법은 급속한 ''in situ'' 도펀트 변조를 통해 나노미터 규모의 형태학적 제어가 가능하다.

=== 기타 바텀업 방식 ===

기상 반응 합성: 고온에서 단일 단계 기상 반응을 통해 Mo₆S_9−''x''I_''x''와 같은 무기 나노와이어를 합성한다. 다른 관점에서 볼 때, 이러한 나노와이어는 클러스터 중합체이다.
기체-고체-고체 성장법 (VSS): VLS 합성법과 유사하게, VSS(기체-고체-고체) 합성은 실리콘 전구체(일반적으로 페닐실란)의 열분해를 통해 진행된다. VLS와 달리, 촉매 씨앗은 기판의 고온 열처리를 받으면 고체 상태로 유지된다. 이러한 유형의 합성은 구리 기판과 실리콘/게르마늄 전구체 간의 VSS 합금을 통해 금속 규화물/게르마늄화물 나노와이어를 합성하는 데 널리 사용된다.
용액상 합성: 용액에서 나노와이어를 성장시키는 기술을 말한다. 다양한 종류의 재료로 나노와이어를 생산할 수 있으며, 다른 방법에 비해 매우 많은 양을 생산할 수 있다는 장점이 있다. 한 가지 기술인 폴리올 합성은 에틸렌 글리콜이 용매이자 환원제로 작용하며, 금,^[11] 납, 백금, 은의 나노와이어를 생산하는 데 특히 유용하다.
초임계 유체-액체-고체 성장법 (SFLES):^[12]^[13] 반도체 나노와이어, 예를 들어 Si와 Ge를 합성하는 데 사용할 수 있다. 금속 나노결정을 씨앗으로 사용하여,^[14] Si 및 Ge 유기금속 전구체를 톨루엔과 같은 초임계 유기 용매로 채워진 반응기에 공급한다. 열분해는 전구체의 분해를 유발하여 Si 또는 Ge를 방출하고 금속 나노결정으로 용해시킨다. 초임계 상으로부터 반도체 용질이 더 많이 첨가됨에 따라 (농도 기울기 때문에) 고체 결정이 침전되고, 나노와이어는 나노결정 씨앗으로부터 단축으로 성장한다.
제어된 균열 형성법: 최근, 기존의 광학 리소그래피를 사용하여 정의된 형상의 나노와이어를 생산하는 간단한 방법이 보고되었다.^[31] 이 접근 방식에서는, 제어된 균열 형성을 사용하여 나노 간극을 생성하기 위해 광학 리소그래피가 사용된다.^[32] 이 나노 간극은 정밀한 길이와 폭을 가진 개별 나노와이어를 생성하기 위한 섀도 마스크로 사용된다. 이 기술을 사용하면 여러 금속 및 금속 산화물 재료로 폭이 20nm 미만인 개별 나노와이어를 확장 가능한 방식으로 생산할 수 있다.

4. 응용

나노와이어는 직경이 나노미터(10^-9m) 수준인 선형 구조의 물질로, 일반적으로 길이 대 두께의 비(종횡비)가 1000 이상인 매우 가늘고 긴 형태를 가진다.^[68] 이러한 나노미터 크기에서는 물질의 성질이 양자역학적 효과의 영향을 크게 받아, 일반적인 벌크(덩어리) 상태의 물질과는 매우 다른 독특한 전기적, 광학적, 기계적 특성을 나타낸다.^[68] 또한 높은 종횡비와 매우 큰 표면적 대 부피 비율은 나노와이어 표면에서의 물리화학적 반응을 촉진하는 등^[55] 응용에 유리한 특성을 제공한다.

이러한 독특한 특성 덕분에 나노와이어는 전자 소자(트랜지스터, 논리 게이트 등), 광전자 소자(태양 전지, 레이저, 도파관 등), 고감도 센서, 에너지 생성(태양광 발전, 나노 발전기) 및 저장(나노와이어 배터리), 열전 변환 소자, 복합 재료 강화 등 매우 광범위한 분야에서 차세대 핵심 소재로 주목받으며 활발한 연구와 개발이 이루어지고 있다.^[68]^[47]^[48]^[49]^[50] 나노와이어를 이용한 기술 구현을 위해 금속, 반도체, 절연체, 초전도 물질 등 다양한 재료를 이용한 제작 연구가 진행 중이다.^[69] 구체적인 응용 분야와 기술적 원리에 대해서는 아래 하위 섹션에서 더 자세히 다룬다.

4. 1. 전자 소자

몇 가지 물리적 이유로 나노와이어의 전도성은 해당 벌크 재료의 전도성보다 훨씬 낮을 것으로 예측된다. 첫째, 와이어 경계면에서의 산란이 있는데, 이는 와이어 폭이 벌크 재료의 자유 전자 평균 자유 경로보다 작을 때 그 영향이 매우 크다. 예를 들어, 구리의 평균 자유 경로는 40nm이다. 40nm 미만의 구리 나노와이어는 평균 자유 경로를 와이어 폭으로 줄인다. 은 나노와이어는 벌크 은과 매우 다른 전기적 및 열적 전도성을 가진다.^[33]

나노와이어는 크기로 인해 다른 특이한 전기적 특성도 보인다. 전자의 이동이 탄도 수송 범위에 속할 수 있는 단일 벽 탄소 나노튜브와 달리, 나노와이어 전도성은 가장자리 효과에 의해 강하게 영향을 받는다. 가장자리 효과는 나노와이어 표면에 위치하며, 나노와이어 벌크 내의 원자처럼 인접한 원자와 완전히 결합되지 않은 원자에서 발생한다. 이러한 결합되지 않은 원자는 종종 나노와이어 내 결함의 원인이 되며, 나노와이어가 벌크 재료보다 전기를 덜 잘 전달하게 만든다. 나노와이어의 크기가 줄어들수록 표면 원자의 비율이 내부 원자에 비해 커지면서 가장자리 효과는 더욱 중요해진다.

나노와이어의 전도도는 와이어에 수직인 서로 다른 전자 파동 함수를 갖는 별도의 ''채널''을 통한 수송의 합으로 설명된다. 와이어가 가늘수록 전자의 수송에 사용할 수 있는 채널 수가 적다. 결과적으로, 폭이 원자 하나 또는 몇 개인 와이어는 전도도의 양자화를 나타낸다. 즉, 전도도는 전도도 양자 ''G''₀ = 2''e''²/''h'' (여기서 ''e''는 기본 전하, ''h''는 플랑크 상수)의 정수배인 개별 값만 가질 수 있다 (''양자 홀 효과'' 참조). 이러한 양자화는 두 전극 사이에 매달린 나노와이어를 점차 길게 당기면서 전도도를 측정하는 방식으로 관찰되었다. 직경이 줄어들면서 전도도는 단계적으로 감소하며, 각 평탄부는 대략 ''G''₀의 배수에 해당한다.^[34]^[35]

전도도의 양자화는 금속보다 Si이나 GaAs와 같은 반도체에서 더 두드러지는데, 이는 낮은 전자 밀도와 낮은 유효 질량 때문이다. 이는 25nm 폭의 실리콘 핀에서도 관찰될 수 있으며, 문턱 전압의 증가를 초래한다. 실제적으로 이는 디지털 응용 분야에서 사용될 때, 이러한 나노 스케일 실리콘 핀을 가진 MOSFET이 트랜지스터를 켜기 위해 더 높은 게이트(제어) 전압이 필요함을 의미한다.^[36]

나노와이어는 MOSFET (MOS 전계 효과 트랜지스터)으로 사용될 것이 제안되었다. MOS 트랜지스터는 오늘날 전자 회로의 기본적인 구성 요소로 널리 사용된다.^[45]^[46] 무어의 법칙이 예측한 바와 같이 MOS 트랜지스터의 크기는 나노 스케일로 점점 더 작아지고 있다. 미래의 나노 스케일 MOS 트랜지스터를 구축하는 데 있어 주요 과제 중 하나는 채널에 대한 우수한 게이트 제어를 보장하는 것이다. 나노와이어의 높은 종횡비는 잠재적으로 우수한 게이트 제어를 가능하게 한다.

나노와이어는 특이한 광학적 특성을 가진 1차원 구조로 인해 광전 소자에 대한 관심이 높다.^[47] 벌크 형태의 소자와 비교하여, 나노와이어 태양 전지는 벌크 재결합으로 인해 불순물에 덜 민감하며, 따라서 낮은 순도의 실리콘 웨이퍼를 사용하여 허용 가능한 효율을 달성할 수 있어 재료 소비를 줄일 수 있다.^[48]

나노와이어로 p-n 접합을 구축한 후, 이를 응용하여 논리 게이트를 만드는 연구가 진행되었다. 여러 p-n 접합을 함께 연결함으로써 연구자들은 모든 논리 회로의 기초가 되는 AND, OR, NOT 게이트를 반도체 나노와이어 교차로에서 구축했다.

2012년 8월, 연구자들은 도핑되지 않은 실리콘 나노와이어로 최초의 NAND 게이트를 구축했다고 보고했다. 이는 보완 나노 회로의 정밀한 도핑 문제를 피하는 방법이다. 그들은 금속-실리콘 인터페이스에 실리사이드 층을 배치하여 쇼트키 장벽을 제어함으로써 낮은 저항 접점을 달성할 수 있었다.^[49] 반도체 나노와이어 교차로는 디지털 컴퓨팅의 미래에 중요할 수 있다.^[50]

또한 나노와이어는 양자점/양자 효과 우물 광자 논리 어레이의 상호 연결로서 광자 탄도 도파관으로 사용하기 위해 연구되고 있다. 광자는 튜브 내부를 이동하고, 전자는 외부 쉘을 이동한다. 광자 도파관 역할을 하는 두 개의 나노와이어가 서로 교차할 때, 접합부는 양자점 역할을 한다.

전도성 나노와이어는 분자 규모의 개체를 분자 컴퓨터에서 연결할 가능성을 제공한다. 다양한 폴리머에서 전도성 나노와이어의 분산은 플렉시블 디스플레이용 투명 전극으로 사용하기 위해 조사되고 있다.

높은 영률로 인해 기계적으로 강화된 복합 재료에 사용하기 위해 연구되고 있다. 나노와이어는 묶음으로 나타나기 때문에 마찰 특성과 전자 변환기 및 액추에이터의 신뢰성을 개선하기 위한 마찰학적 첨가제로 사용될 수 있다.

나노와이어는 높은 종횡비로 인해 유전영동 조작에도 적합하며,^[51]^[52]^[53] 이는 UV, 수증기 및 에탄올 센서와 같은 전자 장치에 부유된 유전체 금속 산화물 나노와이어를 통합하는 저비용 상향식 접근 방식을 제공한다.^[54]

부피 대비 표면적이 크기 때문에 나노와이어 표면에서 물리 화학적 반응이 촉진된다.^[55]

4. 2. 광전자 소자

나노와이어는 특이한 광학적 특성을 가진 1차원 구조로 인해 광전자 장치에 대한 관심이 높다.^[47] 벌크 형태의 소자와 비교하여, 나노와이어 태양 전지는 벌크 재결합으로 인해 불순물에 덜 민감하며, 따라서 낮은 순도의 실리콘 웨이퍼를 사용하여 허용 가능한 효율을 달성할 수 있어 재료 소비를 줄일 수 있다.^[48]

나노와이어 레이저는 칩 상의 광학적 상호 연결 및 광학적 데이터 통신에 잠재력을 가진 나노 스케일 레이저이다. 나노와이어 레이저는 III-V 반도체 이종 구조로 제작되었으며, 높은 굴절률은 나노와이어 코어 내에서 낮은 광학 손실을 가능하게 한다. 나노와이어 레이저는 단지 수백 나노미터 크기의 서브파장 레이저이다.^[56]^[57] 나노와이어 레이저는 와이어의 끝면으로 정의되는 고반사율의 파브리-페로 공진기 캐비티이며, 최근 개발을 통해 200 GHz 이상의 반복률을 보여 광학 칩 레벨 통신 가능성을 제공한다.^[58]^[59]

또한 나노와이어는 양자점/양자 효과 우물 광자 논리 어레이의 상호 연결로서 광자 탄도 도파관으로 사용하기 위해 연구되고 있다. 광자는 튜브 내부를 이동하고, 전자는 외부 쉘을 이동한다. 광자 도파관 역할을 하는 두 개의 나노와이어가 서로 교차할 때, 접합부는 양자점 역할을 한다.

4. 3. 센서

나노와이어는 매우 높은 종횡비를 가지고 있어, 전기화학적 감지에 매우 유리하며 이론적으로 최고 수준의 감도를 달성할 수 있다. 하지만 나노와이어를 상용 제품에 적용하는 데에는 어려움이 따른다. 기존의 수동적인 '픽 앤 플레이스(pick-and-place)' 방식으로는 나노와이어를 분리하고 다루어 전기 회로에 통합하는 과정이 복잡하며, 이는 생산성을 크게 저하시키는 요인이 된다. 최근 나노와이어 합성 기술의 발전 덕분에, 전기화학, 광학, 가스 및 바이오 센싱 등 다양한 분야에서 활용될 수 있는 단일 나노와이어 장치를 병렬로 생산하는 것이 가능해졌다.^[31]

나노와이어 센서의 작동 원리는 FET(Field-Effect Transistor)와 유사하다. FET에서는 입력(소스) 단자와 출력(드레인) 단자 사이의 반도체 내에서 전류(전자의 흐름)가 흐르고, 이 흐름은 게이트 전극에 의해 제어되는 정전기적 전위 변화에 따라 조절된다. 마찬가지로, 바이오/화학-FET(Bio/Chem-FET)는 센서 표면의 수용체와 목표 분자 사이의 인식 과정에서 발생하는 국소적인 전하 밀도 변화, 즉 '전계 효과'를 감지하는 원리를 기반으로 한다.

표면에서 발생하는 이러한 전위 변화는 Chem-FET 장치에 게이트 전압과 동일한 방식으로 영향을 미치며, 이는 장치의 전도도에 감지 가능하고 측정 가능한 변화를 일으킨다. 만약 트랜지스터 소자로 반도체 나노와이어를 사용하면, 화학 물질이나 생물학적 물질이 센서 표면에 결합할 때 나노미터 크기의 직경을 가진 나노와이어 내부에서 전하 운반체의 고갈 또는 축적이 발생한다. 이는 전도 채널로 사용될 수 있는 단면적이 매우 작기 때문에 가능한 현상이다. 또한, 조절 가능한 전도 채널 역할을 하는 나노와이어는 감지 대상 환경과 매우 가깝게 접촉하게 된다. 이로 인해 응답 시간이 짧아지고, 나노와이어의 매우 높은 표면적 대 부피 비율(S/V ratio) 덕분에 장치의 감도가 크게 향상된다.

나노와이어 제작에는 실리콘(Si), 저마늄(Ge), 그리고 인듐 산화물(In₂O₃), 주석 산화물(SnO₂), 아연 산화물(ZnO)과 같은 여러 무기 반도체 재료가 사용되지만, 나노와이어 FET 기반 화학/바이오센서를 만들 때는 주로 실리콘이 선택된다.^[60]

실리콘 나노와이어(SiNW) 기반 감지 장치의 활용 사례는 다양하다. 예를 들어, 암과 관련된 생체 지표 단백질을 매우 높은 감도로 실시간 감지하거나, 단일 바이러스 입자를 검출하는 데 사용된다. 또한, 개보다 뛰어난 감도로 2,4,6-트리니트로톨루엔(TNT)과 같은 니트로 방향족 폭발물을 감지하는 연구도 진행되었다.^[61] 실리콘 나노와이어는 꼬인 형태로 제작되어 나노 전자 기계 장치(NEMS)로 활용되기도 하는데, 이를 통해 분자 간의 힘을 매우 정밀하게 측정할 수 있다.^[62]

센서 작동 시 고려해야 할 점도 있다. 일반적으로 용액 속 분자나 거대 분자의 전하는 주변의 반대 전하를 띤 이온들(counter-ions)에 의해 차폐된다. 대부분의 경우, 센서 표면에 결합된 수용체 단백질이나 DNA 링커의 크기 때문에 목표 분자는 센서 표면으로부터 약 2~12 nm 떨어져 있게 된다. 이러한 차폐 효과 때문에 분석 대상 분자의 전하로 인해 발생하는 정전기적 전위는 거리가 멀어짐에 따라 지수적으로 감소하여 0에 가까워진다. 따라서 최적의 감지를 위해서는 드바이 길이를 나노와이어 FET 측정 조건에 맞게 신중하게 조절해야 한다.

이러한 한계를 극복하기 위한 한 가지 방법은 항체 포획 단위를 절단하고 표면 수용체의 밀도를 조절하여 목표 단백질이 나노와이어 표면에 더 가깝게 결합하도록 유도하는 것이다. 이 접근법은 급성 심근 경색 진단을 위해 혈청에서 직접 심장 표지자(예: 트로포닌)를 감지하는 민감도를 극적으로 향상시키는 데 효과적임이 입증되었다.^[63]

4. 4. 에너지

나노와이어는 그 독특한 양자역학적 특성으로 인해 벌크 물질과는 다른 물성을 나타내며, 이는 에너지 분야에서 다양한 응용 가능성을 열어준다.^[68] 특히 태양광 발전, 나노 발전기, 나노와이어 배터리, 열전 재료 등 에너지 생성, 저장, 변환 기술에 활용될 잠재력이 크다.^[68] 이러한 에너지 관련 기술의 실현을 위해 금속, 반도체, 절연체, 초전도 물질 등 다양한 재료를 이용한 나노와이어 연구가 활발히 진행되고 있다.^[69]

4. 5. 기타

최근에는 기존의 광학 리소그래피 기술을 활용하여 특정 형상의 나노와이어를 간단하게 생산하는 방법이 개발되었다.^[31] 이 방식은 광학 리소그래피를 이용해 제어된 균열을 만들어 나노 크기의 틈(나노 간극)을 형성하는 것이다.^[32] 이 나노 간극을 일종의 그림자 마스크(섀도 마스크)로 사용하여, 원하는 길이와 폭을 가진 개별 나노와이어를 정밀하게 만들 수 있다. 이 기술을 통해 폭이 20 nm 미만인 나노와이어를 다양한 금속 및 금속 산화물 재료로 대량 생산하는 것이 가능하다.

나노와이어 기술을 산업적으로 활용하기 위해 2008년에는 나노와이어를 서로 용접하는 방법이 개발되었다. 이는 희생 금속 나노와이어를 연결하려는 나노와이어 조각 끝에 가까이 두고(주사 전자 현미경의 조작기를 사용) 전압을 가해 와이어 끝부분을 녹여 붙이는 방식이다. 이 기술로는 10 nm 크기의 미세한 와이어도 서로 연결할 수 있다.^[37]

하지만 직경이 10 nm 미만인 매우 얇은 나노와이어의 경우, 기존의 가열 방식 용접 기술은 열 제어가 어렵고 나노와이어를 손상시킬 수 있어 적용하기 어렵다. 최근 연구에서는 직경 약 3~10 nm의 단결정 초박형 금 나노와이어들이 특별한 가열 없이, 단순히 기계적으로 접촉시키는 것만으로도 매우 낮은 압력 하에서 수 초 안에 '냉간 용접'될 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 이는 거시적인 냉간 용접과는 다른 현상이다.^[38] 고해상도 투과 전자 현미경(TEM) 관찰과 현장(in situ) 측정을 통해, 이렇게 만들어진 용접 부위는 거의 완벽하며 원래 나노와이어와 동일한 결정 구조, 강도, 전기 전도성을 유지한다는 것이 확인되었다. 이러한 고품질 용접은 나노 크기의 작은 샘플 크기, 특정 방향으로 달라붙는 메커니즘, 그리고 기계적 도움을 받아 빠르게 일어나는 표면 확산 덕분이다. 금과 은, 그리고 은 나노와이어(직경 약 5~15 nm) 사이에서도 상온에 가까운 온도에서 냉간 용접이 성공적으로 이루어져, 이 기술이 다양한 종류의 초박형 금속 나노와이어에 보편적으로 적용될 수 있음을 보여준다. 다른 나노 및 마이크로 제작 기술과 결합하여,^[39]^[40] 냉간 용접은 향후 금속 기반 1차원 나노구조를 아래에서 위로 조립하는(바텀업) 방식에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

투과 전자 현미경(TEM)으로 관찰할 시료(라멜라, 박막 등 기계적으로 약하거나 전자빔에 민감한 시료)를 집속 이온 빔(FIB) 장비 내부에서 옮길 때, 유연한 금속 나노와이어를 단단한 마이크로매니퓰레이터에 부착하여 사용하면 시료에 가해지는 스트레스나 휘어짐을 최소화할 수 있다. 이 방법의 주요 장점은 나노와이어를 빠르게 용접하고 절단할 수 있어 시료 제작 시간을 크게 단축하고, 스트레스로 인한 시료 변형, 백금 오염, 이온빔 손상 등을 최소화할 수 있다는 점이다.^[64] 특히 in situ 전자 현미경 관찰용 시료 제작에 유용하다.
옥수수 모양 나노와이어는 1차원 나노와이어 표면에 나노 입자들이 서로 연결되어 붙어 있는 독특한 구조를 가진다. 이는 반응이 일어날 수 있는 표면적을 크게 늘려준다. 이산화 티타늄(TiO₂) 옥수수 모양 나노와이어는 표면 장력과 응력 메커니즘을 이용한 두 번의 연속적인 수열 공정을 통해 처음 제작되었으며, 이를 염료감응 태양전지의 광 산란층에 적용했을 때 효율이 12% 증가하는 효과를 보였다.^[65] 또한, 화학 용액 증착법으로 성장시킨 셀렌화 카드뮴(CdSe) 옥수수 모양 나노와이어와 자기 쌍극자 상호작용을 이용해 만든 옥수수 모양 γ-Fe₂O₃@SiO₂@TiO₂ 광촉매도 보고된 바 있다.^[66]^[67]

일반적으로 나노와이어는 직경이 나노미터(10^-9 m) 수준인 선형 구조의 물질을 의미한다. 보통 길이 대 두께의 비(종횡비)가 1000 이상이며, 두께는 수십 나노미터 수준이고 길이는 특별한 제한이 없는 경우가 많다. 나노와이어는 그 크기가 매우 작기 때문에 물질의 성질이 양자역학적 효과의 영향을 크게 받아, 일반적인 덩어리(벌크) 상태의 물질과는 매우 다른 특성을 나타낸다. 이러한 독특한 성질 때문에 태양광 발전, 나노 발전기, 나노와이어 배터리, 열전 재료, 메모리 소자 등 다양한 분야에서의 응용이 기대되고 있다.^[68] 이러한 기술들을 실현하기 위해 금속, 반도체, 절연체, 초전도 물질 등 다양한 재료를 이용한 나노와이어 연구가 활발히 진행 중이다.^[69]

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