노벨상 수상 클릭반응으로 고성능 탄소나노튜브 개발

한국화학연구원

클릭반응을 이용한 고성능, 고밀도의 탄소나노튜브 필름 제조기술을 개발한 정서현 화학연 선임연구원(왼쪽)과 임보규 화학연 선임연구원. 화학연 제공

국내 연구팀이 올해 노벨 화학상을 수상한 분야인 '클릭반응'을 이용해 고성능·고밀도의 탄소나노튜브 필름을 제조하는 데 성공했다.

한국화학연구원은 임보규·정서현 정밀·바이오화학연구본부 선임연구원팀이 노용영 포스텍 교수팀과 공동 연구로 탄소나노튜브 반도체를 이용해 높은 성능과 안정성을 갖는 트랜지스터를 개발했다고 30일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 '케미컬 엔지니어링 저널' 9월호 온라인판에 발표됐다.

탄소나노튜브는 기존의 실리콘 반도체보다 전기적 물성이 70배 이상 높다고 알려져 전 세계적으로 큰 주목을 받아왔다. 탄소나노튜브는 반도체성과 도체성이 혼합돼 있어 그간 선택적 분리를 통해 높은 성능의 탄소나노튜브 트랜지스터를 구현하려는 연구가 계속됐다.

하지만 필름 내 탄소나노튜브의 밀도를 균일하게 유지하기 어렵고 튜브 간 연결성이 불규칙해 동일한 조건으로 제작된 탄소나노튜브 트랜지스터 간 성능 편차가 크다는 문제가 있었다. 또 이를 이용해 바이오센서를 제작할 때 세척 과정 중 필름이 떨어져 소자 간 민감도 차이가 발생할 가능성도 있었다.

연구팀은 클릭반응을 이용해 반응 시간을 조절하면서도 필름 내 밀도를 쉽게 조절할 수 있고 짧은 시간 내에 고밀도 탄소 나노튜브 필름을 만드는 기술을 개발했다. 클릭반응은 두 개의 서로 다른 화학 작용기가 컴퓨터 마우스를 클릭하는 것처럼 짧은 시간에 결합을 형성하는 반응으로 올해 노벨화학상을 수상한 주제다.

클릭반응은 아자이드(azide) 분자와 알카인(alkyne) 분자의 반응으로 이뤄진다. 연구팀은 아자이드 분자가 도입된 고분자를 합성한 뒤 반도체성 탄소나노튜브를 감아 분리했다. 그리고 알카인 고분자를 유리기판 위에 합성했다. 알카인이 고정화된 기판을 아자이드 고분자가 감긴 탄소나노튜브 용액에 넣으면 클릭반응을 거쳐 탄소나노튜브 필름이 만들어졌다.

이 기법을 이용하면 5분 이내 짧은 시간으로도 고밀도 탄소나노튜브 필름을 형성할 수 있었다. 제작된 필름은 기판과 강력한 화학결합을 형성해 다양한 용매 세척에도 떨어지지 않을 만큼 안정성도 갖췄다. 이 필름을 이용해 만든 트랜지스터는 기존 방식 대비 성능이 20배 이상 높았다.

연구팀은 이를 활용해 수소센서 및 바이오센서 등 탄소나노튜브 전자소자 상용화를 위한 후속 연구를 진행할 예정이다. 이미혜 화학연 원장은 "이번 성과는 높은 재현성을 갖는 탄소나노튜브 기반 전자소자의 새로운 플랫폼을 제시한 연구 결과"라며 "후속연구를 통해 탄소나노튜브 기반 다양한 전자소자 상용화에 한발짝 다가설 수 있는 계기가 되기를 희망한다"고 말했다.

[이영애 기자 yalee@donga.com]