강철보다 강한 탄소나노튜브, 고정밀 가공할 수 있다

[아이뉴스24 정종오 기자] 탄소나노튜브는 강철보다 강도가 높다. 반도체, 센서, 화학, 군수산업 등 다양한 응용 분야에 활용한다. 실제 사용할 땐 금속‧세라믹 소재가 표면에 코팅돼야 한다.

국내 연구팀이 탄소나노튜브의 표면을 균일하게 코팅할 수 있게 보조하는 나노전사인쇄 기반 패터닝 기술 개발에 성공했다. 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)는 다이아몬드의 주성분인 탄소들이 6각형 고리 형태로 연결돼 지름 1나노미터(1m의 10억분의 일)의 긴 대롱 모양을 하고 있는 것을 말한다.

한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형)은 기계공학과 박인규 교수, 김산하 교수가 고려대(총장 김동원) 세종캠퍼스 안준성 교수, 한국기계연구원(원장 류석현) 정준호 박사와 공동연구를 통해 `탄소나노튜브의 원자 침투성(atomic permeability) 향상을 위한 고정밀 나노패터닝 기술'을 개발했다고 8일 발표했다.

고성능 반도체, 센서, 에너지 소자를 구현하기 위해서는 수직 성장된 탄소나노튜브 표면에 기능성 물질을 코팅하는 것이 필수적이다. 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 있는데 균일한 코팅을 위한 높은 원자 침투성을 갖는 탄소나노튜브의 구현은 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 이끌었다.

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

이처럼 세라믹 코팅 품질의 개선은 탄소나노튜브의 기계적 복원 특성을 높일 수 있기에 반도체, 센서, 에너지 소자의 반복적 활용과 산업적 적용을 위해 반드시 선결돼야 하는 작업이다.

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.

박인규 KAIST 교수는 "개발된 수직 정렬 탄소나노튜브의 나노패턴화 공정은 탄소나노튜브 기능성 코팅 응용에 있어 본질적 문제인 낮은 원자 침투성을 해결할 수 있을 것으로 기대된다”며 “앞으로 기계적 화학적 응용을 포함한 탄소나노튜브의 산업 전반적 활용으로 이어질 수 있을 것ˮ이라고 말했다.

이어 "이는 나노 소재의 구조화, 기능화와 같은 나노테크놀로지의 압도적 선도 국가가 되기 위한 발판이 될 것ˮ이라고 덧붙였다.

한국기계연구원 하지환 박사후연구원, KAIST 기계공학과 양인영 박사과정, 고려대 세종캠퍼스 안준성 교수가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구(논문명: Nanotransfer Printing for Synthesis of Vertically Aligned Carbon Nanotubes with Enhanced Atomic Penetration)는 저명 국제 학술지 `어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)' 지난 6월 온라인판에 출판됐다. 학술지 전면 표지논문으로 선정됐다.