[지금은 과학] '클릭반응' 이용한 탄소나노튜브 필름 만들었다

[아이뉴스24 정종오 기자] 전 세계 반도체 산업은 앞으로 2030년까지 현재 기준 대비 약 2배 이상인 약 1조 달러 규모로 성장할 것으로 예측된다. 중요한 미래산업으로 자리 잡고 있는 가운데 국내 연구팀이 ‘탄소나노튜브 반도체’를 이용한 고성능 트랜지스터 개발에 성공했다.

탄소나노튜브(carbon nanotube)는 탄소원자 6개가 육각형의 벌집모양으로 서로 연결돼 매우 작고 얇은 튜브 형태를 가지는 물질을 말한다.

한국화학연구원(원장 이미혜) 임보규·정서현 박사 연구팀과 포항공과대 노용영 교수 연구팀은 꿈의 신소재로 불리는 탄소나노튜브 반도체를 이용해 높은 재현성과 안정성을 갖는 트랜지스터를 내놓았다.

이번 연구결과를 통해 탄소나노튜브 반도체 트랜지스터로의 활용뿐만 아니라 앞으로 탄소나노튜브 기반 가스 센서와 바이러스 감지센서 등 다양한 센서 플랫폼으로도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

탄소나노튜브는 기존의 실리콘 반도체 대비 70배 이상의 월등한 전기적 물성을 보유하고 있는 것이 밝혀지며 전 세계적으로 큰 주목을 받아 왔다. 탄소나노튜브는 반도체성과 도체성이 혼합돼 있어 지난 수년 동안 반도체성 탄소나노튜브의 선택적 분리를 통해 높은 성능의 탄소나노튜브 트랜지스터를 구현하고자 하는 연구가 집중돼 왔다.

필름 내의 탄소나노튜브의 밀도가 균일하지 않고 튜브 간의 연결성이 불규칙하기 때문에 같은 조건으로 제작된 탄소나노튜브 트랜지스터 간에도 성능 편차가 크고 재현성이 낮은 문제점을 가지고 있다.

이를 이용한 바이오센서를 제작할 때 세척 과정 중에서 필름이 탈착돼 소자 간의 민감도 차이가 크게 발생할 가능성도 있다.

연구팀은 이러한 한계를 극복해 반응 시간을 조절하면서도 필름 내에 밀도를 쉽게 조절할 수 있었다. 짧은 반응 시간으로 고밀도의 탄소나노튜브 필름을 형성하는 기술을 개발했다.

올해 노벨화학상 수상의 주요 업적인 ‘클릭반응’이라는 매우 간단한 화학반응을 이용해 우수한 재현성을 갖는 탄소나노튜브 필름을 형성했다.

‘클릭반응’이란 두 개의 서로 다른 화학 작용기가 컴퓨터 마우스를 ‘클릭’하는 것처럼 짧은 시간에 결합을 형성하는 반응을 뜻한다. 높은 열을 가하거나 복잡한 촉매의 도움 없이도 상온에서 쉽게 반응이 일어난다. 클릭반응을 개발한 연구자인 캐롤린 버토지(Carolyn R. Bertozzi), 모르텐 멜달(Morten Meldal), 배리 샤플리스(K. Barry Sharpless)는 올해 노벨화학상을 받았다.

이번 기술로 제작한 탄소나노튜브 필름 기반의 트랜지스터는 기존 방식 대비 성능이 20배 이상 높아졌다. 소자 간의 성능 차가 크지 않아 매우 균일한 특성을 보인다.

제조된 필름은 저농도의 탄소나노튜브 용액을 사용해도 5분 이내의 짧은 시간으로도 고밀도의 탄소나노튜브 필름을 형성할 수 있다. 제작된 탄소나노튜브 필름은 기판과 강력한 화학결합을 형성해 다양한 용매 세척에도 떨어지지 않는 안정성을 가진다.

이번 연구결과(논문명:Tailoring the density of carbon nanotube networks through chemical self-assembly by click reaction for reliable transistors)는 화학공학 분야 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’ 온라인판 9월호에 실렸다.