금속 불안정성을 이용한 에너지 효율 나노기술

이제 컴퓨터는 주머니에 들어가고 TV 화면은 문보다 얇아졌고 자동차는 승객보다 약간 더 큰 상황에서 기술을 계속해서 더 작아지고 있다. 이와 같은 소형화가 진행되는 이면에는 저전력을 고주파수의 기계 진동으로 전환하는 나노 수준의 공진기의 개발이 있다.

새로운 나노 기술을 개발하고 있는 오사카 대학의 다나카 히데자쿠 교수는 나노 전자 공진기는 거의 모든 종류의 현대 기술에 사용되으며 직접 볼 수 없을지도 모르지만 로봇공학, 의료 장비, 환경 센서 등에 사용되고 있다고 말했다. 

올해 초 다나카 교수의 연구팀은 나노 공진기의 소모 전력을 100배까지 줄일 수 있는 독립적인 나노 와이어를 발표했다. 전이 금속은 금속 전이 단계에서 절연체를 거치고 저전력에서 고성능을 보이는 이산화바나듐(VO2)으로 독립적인 나노 와이어를 만들었다.

이 상전이는 VO2 결정에 전기력을 가할 때만 발생한다. 하지만 전기력에 대한 기계적 반응은 비선형이기 때문에 전례가 없는 낮은 수준의 전기로도 강력한 기계적 반응을 일으킬 수 있었다. 다나카는 이 와이어의 독립성이 높은 에너지 효율을 보이는데 중요함을 발견했다.

독립적인 나노 와이를 만드는 것은 쉽지 않다. 산화 금속은 매우 경도가 높고 취성이 높기 때문이다. 따라서 산화마그네슘(MgO) 위에서 나노 와이어를 성장시킨 후 MgO 층을 녹여 독립적인 와이어를 얻을 수 있었다. 이탈리아의 다니엘 마르 교수와 네덜란드의 니콜라 만카 박사는 VO2 독립형 나노와이어를 사용하여 나노 공진기 제작이 얼마나 쉬운지를 증명했다. 

VO2 결정의 전기 기계적 성질과 독립형 설계로 인해 나노 와이어는 낮은 DC 전원으로도 MHz 주파수로 진동할 수 있다. 이 효율적인 에너지 전환은 전용 전자 장치의 필요성을 낮춰 현재 사용하는 것보다 더 작은 나노 전자 기계 시스템(NEMS)을 만들 수 있게 한다.

이 나노 와이어는 VO2의 상전이로 인한 전기적 신호에 따라 자발적으로 진동한다. 이 전기 진동은 VO2 나노와이어도 진동하게 하는데 비선형 전자 기계적 커플링은 나노 수준의 힘으로도 VO2 진동을 MHz 주파수 대역에 도달하게 한다. 또한 연구팀은 결정 진동의 추가 에너지가 전기력으로 발생하는 에너지 형태로 나타남을 보였다.

열효과를 VO2의 노출된 틈새에 국한 되도록 설계했다고 말한 다나카는 기계 응답의 에너지 원은 열 방출에 주도됨을 발견했다고 덧붙였다.

NEMS 설계에 있어 상전이로 발생하는 열을 효과적으로 사용한 것은 에너지 효율 기술에 있어 새로운 패러다임을 가져온 것이다. 이 시스템은 단순하고 확장 가능하다. 이 연구는 NEMS가 DC 전원으로 빠르게 대체될 가능성을 열어준 것이다.

 

관련연구자: Hidezaku Tanaka

관련기관: Osaka University

과학기술분류: 에너지/자원

본문키워드(한글): 나노 공진기,에너지 효율,이산화바나듐,나노 전자 기계 시스템

본문키워드(영문): nano resonator,energy efficient,VO2,NEMS

원문언어: 영어

국가: 일본

원문출판일: 2017-07-31

※ 출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2017/07/170731090945.htm