반도체 활용 '탄소나노튜브' 고정밀 가공기술 개발

카이스트·고려대·기계연, 나노전사인쇄기술 기반으로 개발

패터닝된 탄소나노튜브에 원자침투성 향상 입증

"차세대 가스센서·에너지 소자에 유용하게 사용"

[이데일리 최정희 기자] 카이스트, 고려대, 한국기계연구원이 공동 연구를 통해 ‘탄소나노튜브’ 고정밀 가공 기술을 개발했다.

10일 카이스트에 따르면 탄소나노튜브(carbon nanotube·CNT)는 다이아몬드의 주성분인 탄소들이 육각형 고리 형태로 연결돼 지름 1나노미터(1미터의 10억분의 일)의 긴 대롱 모양을 하고 있는데 강철보다 강도가 높아 반도체, 센서, 화학, 군수산업 등 다양한 응용 분야에 활용된다. 그러나 실제 사용시에는 금속, 세라믹 소재가 표면에 코팅돼야 한다.

카이스트는 박인규 기계공학과 교수, 김산하 교수가 고려대 세종캠퍼스 안준성 교수, 한국기계연구원 정준호 박사와 공동연구를 통해 탄소나노튜브의 표면을 균일하게 코딩할 수 있게 보조하는 ‘탄소나노튜브의 원자 침투성(atomic permeability) 향상을 위한 고정밀 나노패터닝 기술’을 개발했다.

나노패턴된 탄소나노튜브의 원자침투성 개선 전략 및 응용

고성능 반도체, 센서, 에너지 소자를 구현하기 위해서는 수직 성장된 탄소나노튜브 표면에 기능성 물질을 코팅하는 것이 필수적이다. 하지만 합성된 탄소나노튜브는 높은 응집률을 갖고 있어서 원자 침투성이 떨어지고 내부에 기능성 물질을 균일하게 코팅하는 것이 불가능하다.

이를 극복하기 위해 탄소나노튜브의 마이크로 패터닝 등 다양한 전략적 기술이 개발되고 있지만 균일한 코팅을 위한 높은 원자 침투성을 갖는 탄소나노튜브의 규현은 아직 미흡한 실정이다.

공동 연구팀은 정교하게 제작된 금속 또는 금속산화물 나노구조체를 전사할 수 있는 나노 임프린팅 공정을 접목한 공정을 개발했다. 그 결과 다양한 형상의 나노 패턴을 따라 탄소나노튜브 성장을 구현해 원자 침투성의 개선을 통한 기능성 물질 코팅의 품질 향상을 이뤘다.

예컨대 원자층 증착법을 통한 세라믹 원자의 코팅을 수행한 나노 패턴된 탄소나노튜브는 기존 탄소나노튜브의 높은 응집률로 인한 세라믹 원자 증착 균일도 저하 한계를 개선했다. 나노 패턴된 탄소나노튜브의 상단부에서 하단까지 나노 스케일로 균일한 세라믹 코팅 결과를 보였다.

세라믹 코팅 품질의 개선은 탄소나노튜브의 기계적 복원 특성을 높일 수 있기에 반도체, 센서, 에너지 소자의 반복적 활용 및 산업적 적용을 위해 반드시 선결돼야 하는 작업이다. 전자빔 증착법은 나노 패턴으로 인한 원자 침투성의 증진으로 인해 패턴이 없는 탄소나노튜브가 상단에만 금속이 증착되는 것에 비해 나노 패턴된 탄소나노튜느븐 내부까지 금속이 증착된다.

박인규 카이스트 교수는 “개발된 수직 정렬 탄소나노튜브의 나노패턴화 공정은 탄소나노튜브 기능성 코팅 응용에 있어 본질적인 문제인 원자 침투성을 해결할 수 있을 것으로 기대된다”며 “추후 기계적 화학적 응용을 포함한 탄소나노튜브의 산업 전반적 활용으로 이어질 것”이라고 밝혔다. 이어 “나노 소재의 구조화 및 기능화와 같은 나노테크놀로지의 압도적 선도 국가가 되기 위한 발판이 될 것”이라고 덧붙였다.

이번 연구은 과학기술정보통신부, 산업통상자원부, 한국과학기술원의 재원으로 한국연구재단 중견연구자지원사업, 산업기술알키미스트프로젝트, 도약 연구 프로젝트의 지원을 받아 수행됐다.