양자점, 탄소 나노튜브, 그래핀, 나노와이어와 같은 나노 수준의 물질은 매우 흥미로운 특성을 가지고 있다. 하지만 이러한 물질을 대면적으로 제작하여 그 특성을 활용하는 것은 매우 어려운 과정이다. 나노 구조체를 배열하여 기능성 소자를 만드는 것은 나노 영역을 주로 연구하는 과학자들에게는 항상 도전과제가 된다. 이러한 소재는 나노물질이라는 점만 제외하고는 초분자 화학과 유사하다. 나노와이어 영역에서 과학자들은 랭뮤어-블로드젯(Langmuir Blodgett) 배열에서 전기방사(electrospinning)에 이르기까지 다양한 나노와이어 배열 기술을 이용하여 원하는 나노구조체를 형성하고자 노력하고 있다.
그림. 리나(LINA) 기법을 이용하여 만든 CdTe 나노와이어 직물의 전자현미경 사진

미국 노트르담대학교(University of Notre Dame)의 연구진은 수백만 개의 나노와이어를 묶어서 마치 직물을 짜듯이 하여 나노와이어를 나노직물 구조로 배열하는 새로운 방법을 개발하는데 성공했다. 연구팀은 빛을 이용하여 무기물 반도체 나노와이어를 대전시키는 법을 개발했다. 한 번 대전이 되면 나노와이어는 전기장을 이용하여 조작 가능하다. 연구팀은 이러한 효과를 “리나(LINA, Light Induced Nanowire Assembly)”라고 이름 지었다.

“리나(LINA)에서 빛에 의해 생성된 캐리어는 개개의 와이어에 큰 쌍극자를 유발하여 전자기장이 존재할 때 일정한 방향으로 배열을 이루게 된다”고 노트르담대학 Masaru Kuno 교수는 말했다. 또한 그는 “형성된 직물 형태의 나노구조체는 지름이 10마이크론, 길이가 25cm 정도가 된다. 이번 실험에서는 CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe 등 다양한 나노물질을 이용하여 실험에 성공했다. 우리 연구진은 각각의 물질을 순차적으로 결합하는 방식을 이용하여 “ABABABA..”등의 배열체를 만들 수 있었다”고 밝혔다.

나노와이어 직물은 광전도성을 띠며 분극에 민감하게 반응한다. 연구팀은 이를 통해 나노와이어의 특성을 그대로 유지시킬 수 있었다. 이러한 것은 에너지 생성 및 센서 소자 등 다양한 분야에 활용될 수 있는 가능성을 보여주는 것이다.

나노와이어를 배열하고 그 특성을 조절하고 평가하기 위해서는 계속해서 나노와이어가 작은 양전하나 음전하를 띠게 만들 필요가 있다. 그러나 이번 실험의 중요한 성과는 이러한 대전 효과의 소스가 단순히 정전기 효과가 아니라는 것을 발견한 것이다. “나노와이어가 대전되었을 때 암실에서는 정전기로 나노와이어를 조작할 수 없다는 것이 그 증거”이며, “이러한 측면에서 볼 때 나노와이어는 반드시 포톤에 의해서만 여기되며 그 결과 정공과 전자들이 발생하게 된다는 것을 확인시켜 준다”고 연구팀은 설명했다.

이 연구결과는 Advanced Materials 온라인판 최근호에 게재됐다. 연구팀은 이러한 특성을 최초 발견한 이후 필름이나 직물 형태 등 어느 구조에서 이러한 현상이 발생하는지를 실험을 통해 확인했다. 이를 통해서 나노 구조와 특성의 상호 연관성을 조사하였다. 연구팀은 직물구조에서 이러한 현상이 가장 강하게 일어나는 것을 확인했다. 이번 연구결과는 태양전지 등 에너지를 모을 수 있는 소재 개발 연구자들에게 많은 영감을 불어넣을 수 있을 것으로 기대된다.