신소재: 머리카락처럼 가늘고, 반도체 섬유는 천을"직"할 수 있다

푸른 풀이 깔린 공터에서 싱가포르 남양이공대학의 두 연구자는 길이 13.5m, 폭 0.6m, 두께 1mm의 새하얀 옷감을 선보였다.평범해 보이는 이 천은 실제로는 결코 평범하지 않다.그것은 머리카락처럼 가는 섬유 재료로 짜여진 광전 감지 천이다.이 옷감으로 만든 모자, 옷은 휴대전화, 태블릿PC, 스마트워치 등 스마트 기기를 대체할 수 있을 것으로 보인다.

2월 1일, 남양리공대학 교수 위뢰가 주도하는 국제련합팀은 ≪ 자연 ≫ 에 론문을 발표하여 초장련속 고품질의 규소게르마늄섬유재료로"짜임"을 한 이 옷감이 어떻게 출시되였는가를 소개했다.

"굴절과 신축성" 의 재료를 찾다

아삭아삭한 소재를 부드럽게 하고 심지어 옷을 짜낼수 있게 하는것은 위뢰팀의 연구방향의 하나이다.

"요즘 휴대전화, 컴퓨터, 스마트워치 등 기기의 칩 제조는 실리콘 소재를 빼놓을 수 없다. 실리콘 소재가 각광받기 전에는 게르마늄이 사상 최초의 트랜지스터 제작에 사용된 고전 재료였다." 논문 공동 제1저자인 남양공대에서 박사후 연구에 종사하는 왕지훈에 따르면 이 두 재료는 자연 매장량이 풍부하고 전기 성능이 우수하며그러나 그것들은"옥쇄가 될지언정 기와가 되지 않는다"는 아삭아삭한 재료로서 그로 만든 칩은 아주 쉽게 끊어진다.

실리콘과 게르마늄으로 대표되는 무기반도체 재료가 칩 제조에 없어서는 안 될 핵심 재료가 되었지만, 전자산업이 유연화를 포용하는 새로운 추세 하에서 이러한 반도체의 본징 연성은 재료 과학자들에게 도전을 가져왔다는 연구 결과가 있다.

이 반도체 재료들이"굴절할 수 있고 신축할 수 있으며 부드럽고 사용하기 좋다"고 하기 위해 최근 몇 년 동안 국제 학계는 차원을 낮추는 해결책을 제시했다.

이 연구에 참여한 왕저 지린대 교수는"차원을 낮추는 것은 3차원 크기가 극히 작아 0차원 형태의 실리콘'점'(제로차원 나노실리콘) 으로 볼 수 있다"며"플렉시블 기저에 배열 형태로 분포해 소프트 및 하드 소재의 유연화를 위한 소프트 및 하드 교련 네트워크를 형성하는 것"이라고 설명했다.또는 웨이퍼의 두께를 줄이고 기계적 손상을 둔화시켜 평면(2차원 나노실리콘) 형태로 구부릴 수 있는 실리콘 박막을 얻는다.

"현재 학계는 1차원(1차원 나노실리콘) 형태의 반도체 섬유에 대한 연구가 상대적으로 적은데, 주요 원인은 제조가 극히 어렵기 때문이다."웨이레이는 상당한 길이의 무분열 반도체 섬유를 대규모로 높은 생산량으로 연속적으로 어떻게 제조할 것인가가 관건적인 도전이라고 말했다.

편직 가능한 광전 감지 천이 출시되다

비록 현재 과학자들이 이미 마이크로드롭다운법 등 용해체에서 출발하는 결정생장법을 연구, 발견하였지만 반도체섬유제조는 여전히 일부 중대한 난제에 직면하고있다.

왕지훈은 다음과 같이 소개했다. 용심열라법은 유리광섬유를 생산하는 방법을 약간 개조하여 다재료섬유를 제조하는데 사용하는 방법이다.이 방법은 저비용, 고속도, 장섬유 등의 특징을 가지고 있으며, 그 섬유의 인장 속도는 분당 수십 미터, 심지어 100미터에 달할 수 있으며, 단일 섬유의 인장 길이는 킬로미터급에 달할 수 있다.그러나 용심열라법으로 제조된 반도체섬유는 흔히 형상이 고르지 못하고 섬유심이 끊어지고 다발적으로 발생하는 등 결함이 있어 그 실제응용을 제한한다.

"반도체 섬유의 생산 난제를 해결하려면 용심열라법은 잠재력이 있는 방법이지만 결함 발생 메커니즘을 근본적으로 파악해 문제를 원천적으로 해결해야 한다."이 연구에 참여한 중국과학원 쑤저우 나노기술과 나노시뮬레이션연구소 연구원 장기충은 중국과학보에 팀원들이 각자의 배경 우세를 결합해전통적인 사유를 돌파하고 기초과학에서 출발하여 실험검증과 결부하여 단계별로 용심열라법의 부동한 물리와 화학과정을 귀납하고 총화하여 섬유제조에서 관건적인 류체와 고체력학문제를 명확히 하였다.

이론 모델의 구축에서 반도체 섬유의 성공적인 당김에 이르기까지, 이 국제 연합 팀은 용해 코어 열 당김법의 시스템 법칙을 검증했으며, 반도체 섬유를 기반으로 광전 감지 천을 짜낼 수 있는 일상적인 응용을 보여주었다."이 감지 천은 모자, 옷으로 꿰매거나 단일 섬유 (1차원 나노실리콘) 형태로 복잡한 모양의 표면에 부착하여 환경 광연속 모니터링, 실내 광통신, 건강 관리 심지어 심해 무선 통신 등 극한 환경에서의 다양한 실제 응용을 실현할 수 있다."이 연구에 참여한 중국과학원 심수선진기술연구원 부연구원 진명은 이렇게 말했다.

"머리카락" 하나 가 유망하다

실리콘, 게르마늄은 전자산업에서 성숙되고 널리 응용되는 대표적인 재료로서 그것들로 만든 반도체섬유는 기존의 기술공정과 호환될수 있는 중요한 우세를 갖고있다.

장기충은 다음과 같이 표시했다. 광전감지는 이 규소게르마늄섬유재료의 응용의 작은 부분일뿐 이 재료는 더욱 넓은 응용전망이 있다.앞으로 태양전지, 온도압력 및 기타 신호의 감지, 데터저장, 심지어 집적회로와 마이크로프로세서도 모두 이"머리카락"에 집결되여 일상옷에 엮여 사람들의 생활품질을 제고시킬수 있다.

"현재 우리는 이미 실험실에서 고품질 실리콘, 게르마늄 반도체 섬유 재료의 규모화 생산을 실현했지만, 더 광범위한 응용을 실현하려면 아직 도전에 직면해 있다."웨이레이는 섬유 형태로 볼 때 현재 모양이 단일하고 실제 응용에서 서로 다른 부품은 서로 다른 모양이나 어떤 내부 구조를 가진 섬유가 필요할 수 있다고 소개했다.소재 자체로 볼 때 3세대 및 4세대 반도체 소재의 섬유화 제조를 더 모색해야 한다.

장기충은 다음과 같이 밝혔다. 앞으로 련합연구팀은 다기능섬유소재를 진일보 연구하여 공동으로 생산제조중의 문제를 해결하여 사람들이 몸에 붙는 옷을 입듯이 지능설비를 휴대할수 있도록 할것이다.