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클릭반응을 이용한 고성능, 고밀도의 탄소나노튜브 필름 제조기술 개발

정밀·바이오화학연구본부

클릭반응을 이용한 고성능, 고밀도의 탄소나노튜브 필름 제조기술을 개발한 화학연 연구팀(오른쪽부터 임보규 선임연구원, 정서현 선임연구원)

전 세계 반도체 산업은 향후 2030년까지 현재 기준 대비 약 2배 이상인 약 1조 달러 규모로 성장할 것으로 예측될 만큼 매우 중요한 미래산업으로 자리 잡고 있는 가운데, 국내 연구진이 ‘탄소나노튜브 반도체’를 이용한 고성능 트랜지스터 개발에 성공하였다.

화학연 임보규·정서현 박사 연구팀과 포항공과대학교 노용영 교수 연구팀은 꿈의 신소재로 불리는 탄소나노튜브 반도체를 이용하여 높은 재현성과 안정성을 갖는 트랜지스터를 개발하였다.

본 연구결과를 통해 탄소나노튜브 반도체 트랜지스터로의 활용뿐만 아니라, 향후 탄소나노튜브 기반 가스 센서 및 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.

그런데 탄소나노튜브는 반도체성과 도체성이 혼합되어 있어, 지난 수년 동안 반도체성 탄소나노튜브의 선택적 분리를 통해 높은 성능의 탄소나노튜브 트랜지스터를 구현하고자 하는 연구가 집중되어 왔다.

하지만 필름 내의 탄소나노튜브의 밀도가 균일하지 않고 튜브 간의 연결성이 불규칙하기 때문에, 동일한 조건으로 제작된 탄소나노튜브 트랜지스터 간에도 성능 편차가 크고 재현성이 낮은 문제점을 가지고 있다. 또한, 이를 이용한 바이오센서 제작 시 세척 과정 중에서 필름이 탈착되어 소자 간의 민감도 차이가 크게 발생할 가능성도 있다.

이에 연구팀은 이러한 한계를 극복하여, 반응 시간을 조절하면서도 필름 내에 밀도를 쉽게 조절할 수 있으며, 짧은 반응 시간으로 고밀도의 탄소나노튜브 필름을 형성하는 기술을 개발하였다.

특히 2022년 노벨화학상 수상 내용이자, ‘아자이드(azide)’ 분자와 ‘알카인(alkyne)’ 분자가 핵심인 ‘클릭반응’이라는 매우 간단한 화학반응을 이용하여 우수한 재현성을 갖는 탄소나노튜브 필름을 형성하였다. 클릭반응은 두 개의 서로 다른 화학 작용기가 컴퓨터 마우스를 ‘클릭’하는 것처럼 짧은 시간에 결합을 형성하는 반응으로, 높은 열을 가하거나 복잡한 촉매의 도움 없이도 상온에서 쉽게 반응이 일어난다.

본 연구에서는 우선 ▲‘아자이드(azide)’가 도입된 고분자를 합성하여 반도체성 탄소나노튜브를 선택적으로 감아 분리하였다. 그리고 ▲‘아자이드’와 클릭반응 할 수 있는 ‘알카인(alkyne)’ 기반의 고분자를 합성하여, 이를 빛이나 열을 이용하여 유리 기판 등에 화학결합으로 고정화하였다. ▲이렇게 알카인이 고정화된 기판을 아자이드 고분자가 감겨있는 탄소나노튜브 용액에 넣고 클릭반응을 통해 탄소나노튜브 필름을 제조하였다.

본 기술로 제작한 탄소나노튜브 필름 기반의 트랜지스터는 기존 방식 대비 성능이 20배 이상 향상되었으며, 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 있으며, 제작된 탄소나노튜브 필름은 기판과의 강력한 화학결합을 형성하여 다양한 용매 세척에도 떨어지지 않는 안정성을 가진다.

연구팀은 높은 신뢰성과 재현성의 전자소자 특성 구현 연구성과를 활용하여 수소센서 및 바이오센서 등 탄소나노튜브 전자소자 상용화를 위한 다양한 후속연구를 진행할 예정이다.

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본 연구결과는 화학공학 상위 3% 이내 저널인 ‘Chemical Engineering Journal’ 2022년 9월 온라인판에 게재됐다.

화학연 이미혜 원장은 “이번 성과는 높은 재현성을 갖는 탄소나노튜브 기반 전자소자의 새로운 플랫폼을 제시한 연구결과로, 그동안 탄소나노튜브 전자소자의 낮은 재현성 문제로 상용화가 어려웠던 만큼, 후속연구를 통해 탄소나노튜브 기반의 다양한 전자소자 상용화에 한 발짝 다가설 수 있는 계기가 되기를 희망한다.”라고 말했다.

이번 연구결과는 화학공학 분야 세계적 권위의 국제학술지인 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’ 온라인판 9월호에 게재됐다.

또한 이번 연구는 한국화학연구원 자체사업으로 수행되었다.