소 개
고체, 액체, 기체에 이어 물질의 제 4 상태로 불리는 플라즈마(plasma)를 이용한 산업기술은 반도체, 환경, 의학 등의 분야에서 새로운 기반기술로 주목을 받고 있으며, 이들 중에서도 실용성이 크고 적용 범위가 넓은 상압 (atmospheric pressure) 플라즈마 관련 연구가 현재 활발히 진행되고 있다.
상압 플라즈마는 대기압하에서 다양한 방법의 전기방전을 이용하되, 전자 에너지의 세기가 이온 및 중성입자 등의 에너지보다 높게 유지되도록, 즉, 플라즈마가 비평형 상태를 이루도록 한다. 전체적인 플라즈마의 온도는 상온-1,000K인데 반해, 전자(electron)의 온도는 10,000K-100,000K가 유지됨으로써 다양한 플라즈마 화학반응 및 표면처리의 응용에 적합한 방전이 가능하다. 상압플라즈마를 구현하는 방법으로는 유전체 장벽 방전 (dielectric barrier discharge, DBD), 코로나 방전(corona discharge), 마이크로파 방전(microwave discharge), 아크방전(arc dischage) 등이 이용되고 있다. 수천도의 높은 온도를 수반하여 주로 spray melting 등에 적용되는 아크방전을 제외한 나머지 기술은 모두 비교적 저온에서 구현이 가능하다. 따라서, 폴리머 분야, 전자/반도체 공정, 환경 분야에 집중적인 연구와 응용이 이루어 지고 있다.
본 연구실은 나노프리미어전지연구실(Nano Premier-Battery Research Lab., NPRL)로 조채용 교수가 2006년 3월 부산대학교 나노과학기술대학에 부임하면서부터 현재까지 상압플라즈마 처리에 대한 실용적이고 폭넓은 융합/복합 응용기술을 연구, 개발하고 있다. 소재 및 소자, 장비제조, 반도체공정 및 분석 전문가인 조채용 교수는 다양한 분야의 연구경험을 바탕으로 융합학문영역의 첨병으로서의 역할을 묵묵히 수행해 오고 있다. 특히, 학부과정에서 나노에에너지공학과 그리고 대학원 과정에서 나노융합기술학과에 소속 되어 있으면서, 상온 상압 플라즈마 기반의 나노재료-소자/센서관련 실질적인 융합기술 연구에 집중하고 있다. 연구실 인력은 박사후 연수연구원 2명, 석사과정 2명으로 구성되어 나노소재/소자 개발에 관한 전문 연구를 수행 중에 있다.
주요 연구 분야로는, 나노-바이오의학 소재 연구팀의 경우 상압 플라즈마를 이용한 폴리머 기반의 유연성 biochip과 biosensor 개발, 생체적합성 폴리머(biodegradable polymer)와 신소재물질을 이용한 세포 및 조직(tissue)의 지지체(scaffold)와 새로운 항균성 필름 개발, 암세포 저항성과 정상세포 친화성 특성을 가진 나노섬유(nanofiber) 등에 대한 연구를 한국전자통신연구원(ETRI), (주)펨토싸이언스, 부산대 의과대학과 공동으로 연구를 수행하고 있다.
그리고, 태양전지 개발팀의 경우, 현재 상용화되고 있는 고가의 결정질 실리콘 태양전지를 대체하여 태양광 발전의 경제성을 획기적으로 향상 시킬 수 있는 저가?고효율의 nano-rod를 적용한 신구조(new-structure) CIGS 화합물반도체 태양전지 개발에 목표를 두고 있다. 전체구조로는 습식공법을 최대한 활용하여 고효율을 확보와 동시에, 가격적인 측면에서 경쟁력을 갖추는데 주력하고 있다. 또한, 개별 cell 특성향상을 위해 반응성 기체(reactive gas)를 이용한 상압플라즈마로 표면/계면 처리하였으며, 그 특성변화에 대해 연구를 한국기초과학지원연구원(KBSI), (주)알파플러스 (alpha-plus), 한국전자통신연구원(ETRI), DGIST와 공동으로 수행하고 있다.
상압 플라즈마는 대기압하에서 다양한 방법의 전기방전을 이용하되, 전자 에너지의 세기가 이온 및 중성입자 등의 에너지보다 높게 유지되도록, 즉, 플라즈마가 비평형 상태를 이루도록 한다. 전체적인 플라즈마의 온도는 상온-1,000K인데 반해, 전자(electron)의 온도는 10,000K-100,000K가 유지됨으로써 다양한 플라즈마 화학반응 및 표면처리의 응용에 적합한 방전이 가능하다. 상압플라즈마를 구현하는 방법으로는 유전체 장벽 방전 (dielectric barrier discharge, DBD), 코로나 방전(corona discharge), 마이크로파 방전(microwave discharge), 아크방전(arc dischage) 등이 이용되고 있다. 수천도의 높은 온도를 수반하여 주로 spray melting 등에 적용되는 아크방전을 제외한 나머지 기술은 모두 비교적 저온에서 구현이 가능하다. 따라서, 폴리머 분야, 전자/반도체 공정, 환경 분야에 집중적인 연구와 응용이 이루어 지고 있다.
본 연구실은 나노프리미어전지연구실(Nano Premier-Battery Research Lab., NPRL)로 조채용 교수가 2006년 3월 부산대학교 나노과학기술대학에 부임하면서부터 현재까지 상압플라즈마 처리에 대한 실용적이고 폭넓은 융합/복합 응용기술을 연구, 개발하고 있다. 소재 및 소자, 장비제조, 반도체공정 및 분석 전문가인 조채용 교수는 다양한 분야의 연구경험을 바탕으로 융합학문영역의 첨병으로서의 역할을 묵묵히 수행해 오고 있다. 특히, 학부과정에서 나노에에너지공학과 그리고 대학원 과정에서 나노융합기술학과에 소속 되어 있으면서, 상온 상압 플라즈마 기반의 나노재료-소자/센서관련 실질적인 융합기술 연구에 집중하고 있다. 연구실 인력은 박사후 연수연구원 2명, 석사과정 2명으로 구성되어 나노소재/소자 개발에 관한 전문 연구를 수행 중에 있다.
주요 연구 분야로는, 나노-바이오의학 소재 연구팀의 경우 상압 플라즈마를 이용한 폴리머 기반의 유연성 biochip과 biosensor 개발, 생체적합성 폴리머(biodegradable polymer)와 신소재물질을 이용한 세포 및 조직(tissue)의 지지체(scaffold)와 새로운 항균성 필름 개발, 암세포 저항성과 정상세포 친화성 특성을 가진 나노섬유(nanofiber) 등에 대한 연구를 한국전자통신연구원(ETRI), (주)펨토싸이언스, 부산대 의과대학과 공동으로 연구를 수행하고 있다.
그리고, 태양전지 개발팀의 경우, 현재 상용화되고 있는 고가의 결정질 실리콘 태양전지를 대체하여 태양광 발전의 경제성을 획기적으로 향상 시킬 수 있는 저가?고효율의 nano-rod를 적용한 신구조(new-structure) CIGS 화합물반도체 태양전지 개발에 목표를 두고 있다. 전체구조로는 습식공법을 최대한 활용하여 고효율을 확보와 동시에, 가격적인 측면에서 경쟁력을 갖추는데 주력하고 있다. 또한, 개별 cell 특성향상을 위해 반응성 기체(reactive gas)를 이용한 상압플라즈마로 표면/계면 처리하였으며, 그 특성변화에 대해 연구를 한국기초과학지원연구원(KBSI), (주)알파플러스 (alpha-plus), 한국전자통신연구원(ETRI), DGIST와 공동으로 수행하고 있다.
연구 실적
부산대학교 나노융합플라즈마 연구실에서는 국가지정연구실(연구실명:나노표면연구실) 운영 경험을 바탕으로, 독립된 두 연구 분야에 대한 플라즈마 응용을 발전시켜 나노박막, 태양전지 및 나노-바이오의학 소재개발과 관련하여 지난 3년간(2006-2008) SCI 논문 40여편, 특허 등록 및 출원 20여건의 실적과 다수의 첨단제조 및 분석장비를 확보 하고 있다.
(1) 신개념 신구조의 CIGS 화합물반도체 태양전지 제조 장치 도입 및 원천 기술 확보: 화합물반도체 태양전지 제조를 위한 co-evaporator(8개 source 동시증착 가능) 장치를 설치하였다. nano-rod 형태의 전도성 전극을 저온 습식 방법으로 구현하였으며, 고효율 태양전지 모듈 제조에 적용하였고 이와 관련된 유연성 태양전지 제조 기법에 관한 내용을 특허로 출원하였으며 원천 기술 확보가 가능할 것으로 예상된다. 상압플라즈마를 이용한 투명전도성 박막의 전도도 향상에 관한 특허 및 연구결과를 보고하였으며, 최근 절연막 형성기술에 대한 특허를 출원 중에 있고, 관련 연구 결과를 투고중에 있다. 박막의 제조 뿐만 아니라, 특성은 표면분석 장비와 광측정 장치 그리고 구조 및 조성 분석 장치 등을 이용하여 평가할 수 있는 시스템을 구축하였다. 올해 부터, “신개념 신구조의 태양전지의 연구”에 관련된 학술진흥재단 기초연구과제(단독, 3년)를 수행하고 있으며, 연구결과를 2009년 MRS 봄 학술대회에 발표할 예정이다.
(2) 플라즈마 표면처리장비 개발 및 확보: DBD type 상압 플라즈마, shower type 상압플라즈마를 도입하였으며, 분말 형태의 나노물질을 처리할 수 있는 Torch type 상압플라즈마 장치를 개발하여 특허 출원 하였다.
(3) 상압 플라즈마 처리를 이용한 바이오칩 제조 방법과 관련된 원천 기술 확보: 기존의 공정 조건을 단순 시켰으며, 재현성 및 집적도가 높고, 신속한 제작이 가능한 바이오칩 제조 방법을 개발하여 특허 출원 및 국제학회지에 보고하였다. 또한, 한국전자통신연구원 (ETRI)와 공동으로 이 방법을 이용하여 제작된 바이오 센서에 대한 전기적-광학적 측정과 더불어 transistor 형태의 첨단기능의 분석 kit를 개발하고 있다.
(4) 신개념의 다기능성 폴리머 시트 개발 및 원천기술확보: 생체 적합하며 기계적 물성도 뛰어난 Biodegradable polymer + new materials등을 이용하여 신개념의 다기능 (항균, 살균, 이식물과 상처 부위 사이의 접착, 통기성, 세포의 부착, 증식, 분화 등이 안정적이며 뛰어남) 다양한 형태의 폴리머 시트를 개발하였다. 폴리머 나노섬유 시트를 반응성 기체를 이용한 상압 플라즈마 처리하여 그 물리적인 특성과 동물실험을 통한 생체 적합성 등에 대해 연구를 수행하고 있으며, cell 실험에서는 그 특성이 5-8배 정도 향상됨을 확인 하였고, 관련 원천기술을 출원 중에 있다.
(1) 신개념 신구조의 CIGS 화합물반도체 태양전지 제조 장치 도입 및 원천 기술 확보: 화합물반도체 태양전지 제조를 위한 co-evaporator(8개 source 동시증착 가능) 장치를 설치하였다. nano-rod 형태의 전도성 전극을 저온 습식 방법으로 구현하였으며, 고효율 태양전지 모듈 제조에 적용하였고 이와 관련된 유연성 태양전지 제조 기법에 관한 내용을 특허로 출원하였으며 원천 기술 확보가 가능할 것으로 예상된다. 상압플라즈마를 이용한 투명전도성 박막의 전도도 향상에 관한 특허 및 연구결과를 보고하였으며, 최근 절연막 형성기술에 대한 특허를 출원 중에 있고, 관련 연구 결과를 투고중에 있다. 박막의 제조 뿐만 아니라, 특성은 표면분석 장비와 광측정 장치 그리고 구조 및 조성 분석 장치 등을 이용하여 평가할 수 있는 시스템을 구축하였다. 올해 부터, “신개념 신구조의 태양전지의 연구”에 관련된 학술진흥재단 기초연구과제(단독, 3년)를 수행하고 있으며, 연구결과를 2009년 MRS 봄 학술대회에 발표할 예정이다.
(2) 플라즈마 표면처리장비 개발 및 확보: DBD type 상압 플라즈마, shower type 상압플라즈마를 도입하였으며, 분말 형태의 나노물질을 처리할 수 있는 Torch type 상압플라즈마 장치를 개발하여 특허 출원 하였다.
(3) 상압 플라즈마 처리를 이용한 바이오칩 제조 방법과 관련된 원천 기술 확보: 기존의 공정 조건을 단순 시켰으며, 재현성 및 집적도가 높고, 신속한 제작이 가능한 바이오칩 제조 방법을 개발하여 특허 출원 및 국제학회지에 보고하였다. 또한, 한국전자통신연구원 (ETRI)와 공동으로 이 방법을 이용하여 제작된 바이오 센서에 대한 전기적-광학적 측정과 더불어 transistor 형태의 첨단기능의 분석 kit를 개발하고 있다.
(4) 신개념의 다기능성 폴리머 시트 개발 및 원천기술확보: 생체 적합하며 기계적 물성도 뛰어난 Biodegradable polymer + new materials등을 이용하여 신개념의 다기능 (항균, 살균, 이식물과 상처 부위 사이의 접착, 통기성, 세포의 부착, 증식, 분화 등이 안정적이며 뛰어남) 다양한 형태의 폴리머 시트를 개발하였다. 폴리머 나노섬유 시트를 반응성 기체를 이용한 상압 플라즈마 처리하여 그 물리적인 특성과 동물실험을 통한 생체 적합성 등에 대해 연구를 수행하고 있으며, cell 실험에서는 그 특성이 5-8배 정도 향상됨을 확인 하였고, 관련 원천기술을 출원 중에 있다.
주요 연구 보유 기자재
본 연구실은 신개념 신구조의 CIGS[Cu(In,Ga)Se2] 태양전지와 나노섬유 시트 및 바이오 칩을 제작하고 그 특성을 측정하고 분석할 수 있는 기자재를 확보하고 있으며, 공동 연구 기관으로부터 첨단분석 및 측정에 대한 고가특수기기를 지원받고 있다.
자체 보유 장비
○ 박막 증착 관련 장비
- RF/DC magnetron sputtering system 2대, CIGS co-evaporator system 1대, Electro-spun system 1대, Sol-gel system 2대, Spin coater 1대, Dip coater 1대, 분위기 열처리로 1대, 고온 전기로 1대, 진공 건조기 1대
- RF/DC magnetron sputtering system 2대, CIGS co-evaporator system 1대, Electro-spun system 1대, Sol-gel system 2대, Spin coater 1대, Dip coater 1대, 분위기 열처리로 1대, 고온 전기로 1대, 진공 건조기 1대
○ 상압 플라즈마 및 UV 표면처리 관련 장비
- UV 표면 처리 system 1대, DBD 상압 플라즈마 장비 1대, shower head-type 상압 플라즈마 장비 1대, torch type 상압 플라즈마 장비 1대
- UV 표면 처리 system 1대, DBD 상압 플라즈마 장비 1대, shower head-type 상압 플라즈마 장비 1대, torch type 상압 플라즈마 장비 1대
○ 박막 분석 및 측정 관련 장비
- EDX가 장착된 FE-SEM 1대, SPM 1대, 4-probe system 1대, contact angle measurement system 1대, UV-VIS-NIR spectometer 1대, Video-microscope system 1대
- EDX가 장착된 FE-SEM 1대, SPM 1대, 4-probe system 1대, contact angle measurement system 1대, UV-VIS-NIR spectometer 1대, Video-microscope system 1대
*공동연구장비
박막 분석 및 측정 관련장비
- TEM, XPS, XRD, FTIR, PL, Hall measurement system, 부착력 시험 장비, 인장강도 측정기, Solar-efficiency simulator system 등
본 연구실은 한국전자통신연구원 (ETRI) 한국기초과학지원연구원 (KBSI), 한국에너지기술연구원 (KIER), 금호공과대학, ㈜알파플러스 (alpha-plus), ㈜펨토싸이언스, 등 산업체, 연구기관들 및 여러 학교와의 연계를 통해 연구를 수행하고 있다. 공동연구를 통한 시너지 효과로서 관련 기술의 빠른 적용을 통하여 산업에의 응용이 용이하다는 장점을 가지고 있다. 또한, CIGS 관련 태양전지 및 나노-바이오의학 관련된 최신기술 및 시설을 기반으로 얻은 연구결과를 산업계로 기술 이전을 준비하고 있다. 그리고, 국내는 물론 국제 에너지 및 나노바이오의학 산업 분야를 이끌어 나갈 고급 전문 인력 양성 및 기술 개발을 통하여 지속 가능한 국가 산업에 기여하고자 지도교수의 열정적인 가르침 아래 모든 구성원들이 성실하게 연구에 임하고 있다.
박막 분석 및 측정 관련장비
- TEM, XPS, XRD, FTIR, PL, Hall measurement system, 부착력 시험 장비, 인장강도 측정기, Solar-efficiency simulator system 등
본 연구실은 한국전자통신연구원 (ETRI) 한국기초과학지원연구원 (KBSI), 한국에너지기술연구원 (KIER), 금호공과대학, ㈜알파플러스 (alpha-plus), ㈜펨토싸이언스, 등 산업체, 연구기관들 및 여러 학교와의 연계를 통해 연구를 수행하고 있다. 공동연구를 통한 시너지 효과로서 관련 기술의 빠른 적용을 통하여 산업에의 응용이 용이하다는 장점을 가지고 있다. 또한, CIGS 관련 태양전지 및 나노-바이오의학 관련된 최신기술 및 시설을 기반으로 얻은 연구결과를 산업계로 기술 이전을 준비하고 있다. 그리고, 국내는 물론 국제 에너지 및 나노바이오의학 산업 분야를 이끌어 나갈 고급 전문 인력 양성 및 기술 개발을 통하여 지속 가능한 국가 산업에 기여하고자 지도교수의 열정적인 가르침 아래 모든 구성원들이 성실하게 연구에 임하고 있다.