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다중벽 탄소 나노튜브(multiwall carbon nanotube) 및 작은 정류기(rectifier)는 냉각이 필요 없이 작동할 수 있는 광검출기(photodetector)를 위한 새로운 기술 및 폐열을 전기로 전환하는 에너지 수확장치 등에 이용할 수 있는 광학 정류 수신기(optical rectenna)로 활용될 수 있다. 그리고 궁극적으로는 태양에너지를 효율적으로 포획할 수 있는 새로운 수단이기도 하다. 

조지아 공과대학(Georgia Institute of Technology) 공학자들이 개발한 이 새로운 장치에서, 탄소 나노튜브는 태양 및 다른 광원으로부터 빛을 포획하는 안테나 역할을 한다. 빛의 파장이 나노튜브 안테나와 충돌하면, 안테나에 부착되어 있는 정류기를 통해 이동하는 진동전하(oscillating charge)가 만들어진다. 정류기는 매우 높은 페타헤르츠(pentahertz)의 속도로 스위치를 켜고 끄면서 소량의 직류 전원을 생성한다. 

어레이(array) 상의 수 십 억 개의 안테나는 상당한 양의 전류를 생성할 수 있지만, 이 기기의 효율은 지금까지 아직 1%에도 크게 못 미치고 있다. 연구팀은 최적화 기술을 이용해 출력을 향상시킬 방안을 찾고 있으며, 1년 이내에 상업화가 가능한 정류기의 출현이 가능할 것으로 기대하고 있다. 

연구팀은 궁극적으로 제조원가는 10분의 1로 줄이면서도 효율을 2배 증가시킨 태양전지를 제조할 계획이며, 이것은 사회에 많은 변화를 일으킬 것으로 기대된다고 조지아 공과대학 기계공학과 부교수인 Baratunde Cola는 밝혔다. 튼튼한 고온 검출기로서, 1% 효율에 도달하게 된다면 이런 정류 수신기는 엄청난 파급효과를 일으킬 것이다. 만약 효율이 더 높아진다면, 에너지 전환기술 및 태양 에너지 포획에도 활용할 수 있을 것이다. 

DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency, 국방 고등연구 기획청), SPAWAR(Space and Naval Warfare) System Center 및 ARO(Army Research Office, 육군 연구소)의 지원을 받아 시행된 본 연구 결과는, Nature Nanotechnology ("A carbon nanotube optical rectenna")지 9월 28일 자에 게재되었다. 

1960년대 및 1970년대에 개발된 정류 수신기는, 10마이크론이라는 짧은 파장에서 작동하지만, 40년이상 과학자들은 광 파장(optical wavelength)에서 작동하는 기기를 제작하고자 노력하여 왔다. 이를 위해서는 극복해야 할 일들이 있다: 광 파장을 커플링할 수 있을 정도로 충분히 작은 안테나를 만들 수 있어야 하며, 충분히 작은 정류 수신기 다이오드를 제작할 수 있어야 하고, 전자기 파 진동을 포획할 수 있을 정도로 빠르게 작동할 수 있어야 한다. 그러나 고효율 및 낮은 원가의 잠재력으로 인해 과학자들은 이 기술에 대한 연구를 지속하여 왔다. 

금속성 다중벽 탄소 나노튜브 및 나노 크기로의 제조기술을 사용하여, 연구팀은 입자 특성이 아닌 빛의 파장을 활용하는 기기를 구축하였다. 또한 일련의 긴 실험과 천 개 이상의 장치를 테스트하여, 이론적으로 예측된 정류 수신기의 존재를 확인하기 위한 전류 및 전압 측정을 수행하였다. 본 기기는 섭씨 5∼77도 범위의 온도에서 작동하였다. 

정류 수신기의 제작을 위해 우선 수직으로 배열된 탄소 나노튜브를 전도성 기질 상에 성장시키는 것부터 시작하였다. 원자층 화학 기상 증착(atomic layer chemical vapor deposition) 기술을 활용하여, 나노튜브를 산화알루미늄으로 코팅하여 절연시켰다. 마지막으로 물리적 기상 증착(physical vapor deposition)을 이용해 광학적으로 투명한 얇은 칼슘층을 코팅한 후에, 나노튜브 숲의 최상부에 알루미늄 금속을 위치시켰다. 나노튜브와 칼슘 사이의 일함수(work function)의 차이는 약 2eV(electron volt)의 전위를 제공하며, 이것은 빛에 의해 여기되었을 때 탄소 나노튜브 안테나에서 전자가 방출되기에 충분한 에너지이다. 

진동하는 빛의 파장은 투명한 칼슘-알루미늄 전극을 통과하고 나노튜브와 반응한다. 나노튜브 팁에서의 금속-절연체-금속 접합은 펨토초(femtosecond) 간격으로 스위치를 켜고 끄는 정류기 역할을 함으로써, 안테나에서 전자를 발생시켜 상부 전극으로 흐를 수 있도록 해 준다. 아토패럿(attofarad) 정도의 매우 낮은 정전용량은 이런 특이한 주파수로 10나노미터 지름의 다이오드를 작동시킬 수 있다. 

정류 수신기는 기본적으로 다이오드에 커플링된 안테나이다. 안테나와 다이오드의 거리가 가까워질수록, 효율이 증가한다. 연구팀이 개발한 정류 수신기는 견고한 기질 상에서 성장시켜 제조하는데, 궁극적으로는 유연한 태양전지가 광검출기를 생산할 수 있는 포일(foil)과 같은 물질 상에 성장시키는 것이다. 

연구팀이 개발한 정류 수신기는 원리를 증명하는 차원의 것이었다. 재료를 바꾸고, 탄소 나노튜브를 다중 전도성 채널과 연결시키고 구조 내에서의 저항을 감소시키는 등의 방법을 통해 효율을 향상시킬 계획이다. 

그림> 수직배열 다중벽 탄소 나노튜브-절연체-금속 광학 정류 수신기의 개념도 

KISTI 미리안 글로벌동향브리핑 2015-10-02






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