Ni 그래파이트 코어쉘 나노입자의 합성량 확대 연구

김창득, 이형락, 트롱윈탐윈, 조연정, New Physics: Sae Mulli 72, 1 (2022).

탄소 재료를 다양한 분야로 적용하기 위해서는 적용분야에 맞는 탄소 재료의 다양한 구조와 특성이 필요적으로 요구된다. 추가적으로 탄소 재료의 대량 합성 기술은 꼭 확보되어야 하는 기술이다. 여러 개의 그래핀 층으로 둘러싸인 기존의 Ni-그래파이트 코어쉘 나노입자(core–shell nanoparticles, CSNPs)는 수평의 열화학기상증착기(thermochemical vapor deposition system, TCVD)에서 수소 가스를 사용하여 NiO 나노입자의 열환원 반응으로 합성된다. 기존의 Ni-그래파이트 CSNPs의 합성량은 시간당 수 그램으로 제한되었다. Ni-그래파이트 CSNPs의 사업화 적용을 위해서는 Ni-그래파이트 CSNPs의 합성량 확대가 꼭 필요하며, 이를 해결하기 위하여 수직의 TCVD를 사용하여 Ni-그래파이트 CSNPs의 대량 합성을 진행하였다. NiO 나노입자를 이용한 Ni-그래파이트 CSNPs 합성은 주입 가스의 압력과 NiO 나노입자의 낙하 과정에서의 열반응에 의해 조절되었다.

본 연구에서 Ni-그래파이트 CSNPs의 합성량 확대는 성공하였다. 시간당 수 그램의 합성량은 시간당 100 g 이상으로 향상되었다. 합성된 Ni-그래파이트 CSNPs에서 그래핀 층을 직접 확인하기 위하여 100 sccm C₂H₂ 투입량으로 합성한 CSNPs의 TEM 분석을 진행하였다. 그림의 TEM 이미지에서 다양한 크기의 짙은 색 Ni 나노입자를 볼 수 있고, 그 Ni 나노입자들 표면에 그래핀 층으로 이루어진 다양한 두께의 그래파이트 막이 형성됨을 확인할 수 있다. 이를 통하여 수직으로 세워진 TCVD를 이용할 경우 기존의 수평으로 누워있는 TCVD와 유사한 형태를 가진 Ni-그래파이트 CSNPs의 합성량 확대가 가능함을 확인할 수 있었다.

볼로미터의 적외선 흡수 증폭을 위한 미-공명 메타표면

송수진, 정지윤, New Physics: Sae Mulli 72, 52 (2022).

볼로미터는 낮은 광자 에너지를 갖는 중~원적외선 빛을 검출하기 위한 장치로, 물체가 적외선을 흡수하여 온도가 증가하면 그에 따라 저항이 변화할 것이므로 이로부터 빛의 세기를 역산하는 방식으로 작동한다. 따라서 볼로미터에는 온도에 따른 저항 변화가 큰 물질을 사용하는 것이 이상적이며, 이러한 이유로 산화바나듐이나 실리콘 등이 주로 많이 활용된다. 그러나 이런 물질들은 흡광계수가 매우 낮다는 단점이 있어 별도의 흡수체를 함께 사용해야만 하며, 이로 인해 제작 과정이 복잡해지고 열질량이 높아져 전반적인 효율이 떨어지는 제약이 있다.

본 연구에서는 별도의 흡수체를 사용하지 않고 볼로미터의 흡광도를 증폭시키기 위해 미-공명 메타표면의 활용 가능성을 탐구하였다. 메타표면이란 파장보다 작은 크기의 진동자를 평면상에 규칙적으로 배열함으로써 전자기파의 특성을 자유자재로 조절할 수 있는 구조를 의미한다. 특히, 진동자가 유전체로 이루어진 메타표면의 경우 전자기 다중극자 모드에 의한 공명 현상이 일어나는데 이를 미-공명(Mie-resonance)이라 부르며, 이때 전자기장이 진동자 내부에 강하게 집속되어 빛과 물질의 상호작용을 증폭시키는 것이 알려져 있다. 따라서 볼로미터에 사용되는 물질을 활용하여 미-공명 메타표면을 제작함으로써 낮은 흡광도를 극복할 수 있으리라 기대할 수 있다.

연구에서 활용한 물질은 산화바나듐으로, 아무런 추가 구조물이 없는 박막의 경우 입사한 적외선의 10 퍼센트 미만밖에 흡수하지 못한다. 반면에 이를 사각형과 일자 막대가 혼합된 메타표면의 형태로 패터닝 할 경우, 다양한 파장에서 전기 및 자기 다중극자 공명 모드가 관찰되며 산화바나듐 내의 전기장 진폭이 5배 이상 증폭됨을 FDTD 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 이에 따라 메타표면의 흡광도가 최대 93퍼센트까지 증가하였으며, 메타표면의 형태로 만듦으로써 전체적인 산화바나듐의 부피가 감소하여 열질량이 줄어드는 효과도 있으므로 약 20배의 성능 향상을 얻을 수 있었다.(그림)