탄소나노튜브(CNT)는 다이아몬드 주성분인 탄소가 연결된 6각형 고리 형태로, 지름 1㎚(나노미터)의 대롱 모양이다. 이런 구조 때문에 탄소나노튜브는 강철보다 강도가 높아 반도체, 센서, 화학, 군수 등 다양한 분야에서 활용할 수 있다.
특히 고성능 반도체, 센서, 에너지 등의 소자를 구현하려면 수직 성장 탄소나노튜브 표면에 기능성 물질을 코팅하는 것이 필수다.
그러나 합성 탄소나노튜브는 높은 응집률 때문에 원자 침투성이 어려워 내부에 기능성 물질을 균일하게 코팅하는 것이 불가능하다.
이를 극복하기 위해 탄소나노튜브 마이크로 패터닝 등 다양한 기술이 제시되고 있지만, 균일한 코팅성을 실현할 높은 원자 침투성을 갖는 탄소나노튜브는 아직 미흡한 실정이다.
반도체로 탄소나노튜브 정밀 가공 실현
KAIST 기계공학과 박인규·김산하 교수가 고려대 세종캠퍼스 안준성 교수, 한국기계연구원 정준호 박사와 공동연구로 탄소나노튜브 표면을 균일하게 코팅할 수 있게 보조하는 나노전사인쇄 기반 패터닝 기술을 개발했다.
공동연구팀이 개발한 기술은 탄소나노튜브의 원자 침투성을 향상하는 고정밀 나노패터닝 공법으로, 정교하게 만든 금속이나 금속산화물 나노구조체를 전사할 수 있는 나노 임프린팅 공정을 접목한 것이 특징이다.
이를 통해 다양한 형상의 나노패턴을 따라 탄소나노튜브 성장을 구현함으로써 원자 침투성을 개선함과 동시에 기능성 물질 코팅으로 고품질을 실현했다.
실제 연구팀이 원자층 증착법으로 세라믹 원자의 코팅을 수행한 나노 패턴 탄소나노튜브는 기존 탄소나노튜브의 높은 응집률 때문에 저하된 세라믹 원자 증착 균일도를 개선, 나노 패턴 탄소나노튜브 상단에서 하단까지 균일하게 코팅하는 데 성공했다.
세라믹 코팅품질 개선은 탄소나노튜브의 기계적 복원성을 높일 수 있는 중요 절차로, 반도체, 센서, 에너지 소자의 반복적 활용과 산업 적용을 위해 반드시 필요하다.
아울러 연구팀은 전자빔 증착 등의 물리적 증착법으로 나노 패턴 탄소나노튜브 내부까지 금속을 증착시켰다. 이는 금속증착 품질을 개선해 가스센서 등 반응성이 우수한 센서에 활용될 전망이다.
박 교수는 “수직 정렬 탄소나노튜브의 나노 패턴화 공정은 기능성 코팅 응용에 본질적 문제였던 낮은 원자 침투성을 해결할 수 있을 것”이라며 “추후 기계 화학적 응용을 포함한 탄소나노튜브의 산업 전반적 활용으로 이어질 수 있다”고 설명했다.
이어 "이는 나노소재의 구조화 및 기능화 등 나노테크놀로지의 압도적 선도국이 되기 위한 발판이 될 것ˮ이라고 덧붙였다.
한편 이번 연구는 기계연 하지환 박사후연구원, KAIST 기계공학과 양인영 박사과정, 고려대 세종캠퍼스 안준성 교수가 공동 제1저자로 참여했고, 연구결과는 국제학술지 `어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈' 지난 6월 온라인판으로 출판됐다.
(논문명: Nanotransfer Printing for Synthesis of Vertically Aligned Carbon Nanotubes with Enhanced Atomic Penetration)
