나노기술 및 정책 정보

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실리콘에는 압전성이 없기 때문에 주류 반도체 재료의 직접적인 전기기계식 분야에 응용해 왔음. 실리콘에 기계적 작동을 전기 제어로 할 수 있게 되면 칩에 통합된 액추에이터에 대한 새로운 관점을 열 수 있음.

함부르크 기술대학교(Hamburg University of Technology)의 공동연구팀이 단결정 실리콘에 웨이퍼 규모의 나노 다공성을 결합하여 수성 전해질에서 거시적인 전기적 변형을 보여주는 복합재를 합성함. 이 복합재의 전압-변형 효과는 최고 성능의 세라믹보다 3 배나 더 컸음. 연구팀은 평방 센티미터 당 1,000 억개의 나노 포어의 통합 거동에 대한 전기기계식 작동을 분석하여 유망한 바이오 액추에이터에 사용되고 있는 지속 가능하고 생체적합성을 가진 바이오 하이브리드 재료와 비슷할 정도로 매우 작은 작동전압(0.4 ~ 0.9V)을 얻을 수 있었음. 전도성 고분자 폴리피롤(PPy)의 산화과정에서 발생하는 전기화학적 변화는 고분자 골격의 비편재화된 변화의 수를 늘리거나 줄일 수 있음. 전해질에 담그어 PPy를 인공 근육 물질을 개발하는 가장 일반적인 물질 중 하나로 만들기 위해 가역적인 반대 이온 흡수 또는 배출을 통해 전압 조절하여 거시적 팽창뿐만 아니라 수축을 유도함. 이 작업에서 연구팀은 액추에이터 폴리머를 나노 다공성 실리콘의 3차원(3-D) 스캐폴드 구조와 결합하여 내장된 전기화학적 작동을 위한 재료를 설계했음. 새로운 구조는 수소(H), 탄소(C), 질소(N), 산소(O), 실리콘(Si) 및 염소(Cl)를 포함한 몇 가지 가볍고 풍부한 원소 성분을 포함하고 있음.

실험 중에 연구팀은 불산에 도핑된 실리콘의 전기화학적 에칭공정을 사용하여 다공성 실리콘(pSi) 멤브레인을 준비했음. 생성된 기공은 실리콘 표면에 곧고 수직이었음. 주사전자현미경 프로파일을 사용하여 균일한 샘플 두께를 관찰했음. 그런 다음 피롤 단량체의 전기중합을 통해 다공성 실리콘(pSi) 막을 폴리피롤(PPy)로 채웠음. pSi의 폴리머 핵생성과 부분 산화는 개방회로 전위를 증가시켜 기공 내부에 PPy가 지속적으로 증착됨. 매우 비대칭적인 기공은 사슬 모양의 폴리머 성장을 형성하여 폴리머의 분지화를 억제하고 전기저항을 낮추었음. 연구팀은 임의의 pSi 허니컴 구조의 균일한 PPy 충전을 나타내기 위해 에너지 분산형 X선(EDX) 분광기 신호와 함께 투과전자현미경(TEM)을 사용하여 생성된 합성물을 관찰했음.

본 연구 성과는 ‘Science Advances’ “Giant electrochemical actuation in a nanoporous silicon-polypyrrole hybrid material” 지에 게재됨