패터닝된 탄소나노튜브의 원자 침투성 향상 입증

차세대 가스 센서/에너지 소자에 유용하게 사용

나노 구조체 제작 및 탄소나노튜브 가공 기술의 선도 국가가 될 기틀 마련

 

고려대 세종캠퍼스(부총장 김영) 소속 안준성 교수(전자기계융합공학과)가 KAIST 기계공학과 박인규 교수·김산하 교수, 한국기계연구원 정준호 박사와 공동연구를 통해 `탄소나노튜브의 원자 침투성(atomic permeability) 향상을 위한 고정밀 나노 패터닝 기술'을 개발했다고 7일 밝혔다. 이는 차세대 가스 센서와 에너지 소자에 유용하게 사용될 수 있으며, ‘나노 구조체 제작 및 탄소나노튜브 가공 기술’ 선도 국가가 되기 위한 기틀을 마련할 것으로 기대된다.

△ 왼쪽부터 고려대학교 세종캠퍼스 안준성 교수, KAIST 하지환 박사과정, 양인영 박사과정, 박인규 교수, 김산하 교수, 한국기계연구원 정준호 책임연구원

탄소나노튜브(carbon nanotube; CNT)는 다이아몬드의 주성분인 탄소들이 6각형 고리 형태로 연결돼 지름 1나노미터(1m의 10억분의 일)의 긴 대롱 모양을 하고 있는 것을 뜻한다. 이러한 탄소나노튜브는 전기 전도성, 열 전도성이 매우 우수하고 강철보다 강도가 높아 반도체, 센서, 화학, 군수산업 등 다양한 응용 분야에 활용된다. 하지만, 제한된 기계적 탄성과 화학적 반응성으로 인해, 실제 사용 시에는 단점을 보완하기 위한 금속/세라믹 소재가 표면에 코팅돼야 한다. 따라서, 탄소나노튜브의 표면에 기능성 소재를 원자단위로 코팅할 수 있게 보조하는 기술의 개발이 필수적이다.

 

고성능 반도체, 센서, 에너지 소자를 구현하기 위해서는 수직 성장된 탄소나노튜브 표면에 기능성 물질을 코팅하는 것이 필수적이지만, 합성된 탄소나노튜브는 높은 응집률을 갖고 있어서 원자 침투성이 떨어지고 내부에 기능성 물질을 균일하게 코팅하는 것이 불가능하다. 전 세계적으로 이를 극복하기 위해 탄소나노튜브의 마이크로 패터닝 등 다양한 전략적 기술이 개발되고 있지만, 균일한 코팅을 위한 높은 원자 침투성을 갖는 탄소나노튜브의 구현은 아직 미흡한 실정이다.

 

이를 해결하기 위해 공동 연구팀은 정교하게 제작된 금속 또는 금속산화물 나노 구조체를 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 이룩했다. 일례로, 원자층 증착법을 통한 세라믹 원자의 코팅을 수행한 나노 패턴된 탄소나노튜브는 기존 탄소 나노튜브의 높은 응집률로 인한 세라믹 원자 증착 균일도 저하 한계를 개선해, 나노 패턴된 탄소나노튜브의 상단부에서 하단까지 나노 스케일로 균일한 세라믹 코팅 결과를 보였다.

△ 나노 패턴된 탄소나노튜브의 원자 침투성 개선 전략 및 응용

 

이처럼 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. 또한, 전자빔 증착법과 같은 물리적 증착법 역시 나노 패턴으로 인한 원자 침투성의 증진으로 인해 패턴이 없는 탄소나노튜브가 상단에만 금속이 증착되는 것에 비해, 나노 패턴된 탄소나노튜브는 내부까지 금속이 증착되는 결과를 보였다. 이와 같은 금속 증착 품질의 개선은 가스 센서와 같은 활용을 위한 촉매 역할을 해 보다 민감하고 반응성이 우수한 센서 활용이 가능해진다.

 

연구를 지도한 고려대학교 세종캠퍼스 안준성 교수는 "개발된 수직 정렬 탄소나노튜브의 나노 패턴화 공정은 탄소나노튜브 기능성 코팅 응용에 있어 본질적인 문제인 낮은 원자 침투성을 해결할 수 있을 것으로 기대되고, 추후 기계적 화학적 응용을 포함한 탄소나노튜브의 산업 전반적 활용으로 이어질 수 있을 것이다ˮ라며 "이는 나노 소재의 구조화 및 기능화와 같은 나노테크놀로지의 압도적 선도 국가가 되기 위한 발판이 될 것이다ˮ고 연구적 의의를 설명했다.

△ 나노 패턴된 탄소나노튜브 제작을 위한 공정적 전략

 

 

고려대학교 세종캠퍼스 안준성 교수와 KAIST 기계공학과 하지환 박사과정·양인영 박사과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 저명 국제 학술지 `어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, Impact Factor 19, JCR 4.2%)' 2024년 5월 온라인판에 출판됐다. (논문명: Nanotransfer Printing for Synthesis of Vertically Aligned Carbon Nanotubes with Enhanced Atomic Penetration)

 

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 및 산업통상자원부, 한국과학기술원의 재원으로 한국연구재단 중견연구자지원사업, 산업기술알키미스트프로젝트, 도약연구 프로젝트의 지원을 받아 수행됐다.