노벨화학상 수상 ‘클릭반응’ 활용…고성능 탄소나노튜브 필름 제조 성공

- 화학硏 포스텍, 탄소나노튜브 전자소자 상용화 앞당겨

이번 연구성과가 게재된 화학분야 국제학술지 '케미컬 엔지니어링 저널' 9월호 이미지.[한국화학연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 올해 노벨화학상 수상 분야인 ‘클릭반응’을 이용해 탄소나노튜브 반도체를 이용한 고성능 트랜지스터 개발에 성공했다.

한국화학연구원 바이오확연구본부 임보규·정서현 박사 연구팀과 포항공과대학교 노용영 교수 공동연구팀은 꿈의 신소재로 불리는 탄소나노튜브 반도체를 이용해 높은 재현성과 안정성을 갖는 트랜지스터를 개발했다.

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 집중돼 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.

연구팀은 반응 시간을 조절하면서도 필름 내에 밀도를 쉽게 조절할 수 있으며, 짧은 반응 시간으로 고밀도의 탄소나노튜브 필름을 형성하는 기술을 개발했다.

특히 올해 노벨화학상 수상의 핵심인 ‘클릭반응’이라는 매우 간단한 화학반응을 이용해 우수한 재현성을 갖는 탄소나노튜브 필름을 형성시켰다.

제작한 탄소나노튜브 필름 기반의 트랜지스터는 기존 방식 대비 성능이 20배 이상 향상됐으며, 소자 간의 성능 차가 크지 않아 매우 균일한 특성을 보였다.

임보규(오른쪽) 박사와 정서현 박사.[한국화학연구원 제공]

제조된 필름은 저농도의 탄소나노튜브 용액을 사용해도 5분 이내의 짧은 시간으로도 고밀도의 탄소나노튜브 필름을 형성할 수 있으며, 제작된 탄소나노튜브 필름은 기판과의 강력한 화학결합을 형성해 다양한 용매 세척에도 떨어지지 않는 안정성을 가진다.

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

이번 연구결과는 화학공학 분야 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널’ 9월호에 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com