국내 연구진이 탄소나노튜브 반도체를 이용한 고성능 트랜지스터 개발에 성공했다. 한국화학연구원은 임보규·정서현 박사 연구팀과 포항공과대학교 노용영 교수팀이 꿈의 신소재로 불리는 탄소나노튜브 반도체를 이용해 높은 재현성 및 안정성을 갖는 트랜지스터를 개발했다고 30일 밝혔다.

탄소나노튜브는 기존 실리콘 반도체 대비 70배 이상의 월등한 전기적 물성을 보유하고 있는 것이 알려져 큰 주목을 받고 있지만 반도체성과 도체성이 혼합돼 선택적 분리를 통한 고성능의 탄소나노튜브 트랜지스터 구현이 요구된다.

또 필름 내 탄소나노튜브 밀도는 균일하지 않고 튜브 간의 연결성이 불규칙해 동일한 조건으로 제작된 탄소나노튜브 트랜지스터 간에도 성능 편차가 크고 재현성이 낮은 문제점이 있다. 이를 이용한 바이오센서 제작 시 세척과정에서 필름이 탈착돼 소자 간의 민감도 차이가 크게 발생할 가능성도 있다.

이번에 공동 연구팀은 반응시간을 조절하면서 필름 내 밀도를 손쉽게 조절할 수 있고 짧은 반응시간으로 고밀도의 탄소나노튜브 필름을 형성하는 기술을 개발했다.

특히 '아자이드(azide)' 분자와 '알카인(alkyne)' 분자가 핵심인 '클릭반응'이란 매우 간단한 화학반응을 이용해 우수한 재현성을 갖는 탄소나노튜브 필름을 구현했다.

클릭반응은 두 개의 서로 다른 화학 작용기가 컴퓨터 마우스를 '클릭'하는 것처럼 짧은 시간에 결합을 형성하는 반응으로 높은 열을 가하거나 복잡한 촉매의 도움없이도 상온에서 쉽게 반응이 생긴다.

클릭반응을 개발한 연구자인 캐롤린 버토지(Carolyn R. Bertozzi), 모르텐 멜달(Morten Meldal), 배리 샤플리스(K. Barry Sharpless)는 올해 노벨화학상을 수상했다.

연구팀은 먼저 아자이드(azide)가 도입된 고분자를 합성, 반도체성 탄소나노튜브를 선택적으로 감아 분리한 뒤 아자이드와 클릭반응 할 수 있는 알카인(alkyne) 기반의 고분자를 합성하고 이를 빛(열)으로 유리기판 등에 화학결합시켜 고정했다.

이어 알카인이 고정화된 기판을 아자이드 고분자가 감겨있는 탄소나노튜브 용액에 넣고 클릭반응을 통해 탄소나노튜브 필름을 제조하는데 성공했다.

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

제조된 필름은 저농도의 탄소나노튜브 용액을 사용해도 5분 이내의 짧은 시간으로도 고밀도의 탄소나노튜브 필름을 형성할 수 있고 제작된 탄소나노튜브 필름은 기판과 강력한 화학결합을 형성, 다양한 용매 세척에도 떨어지지 않는 안정성을 갖는다.

연구팀은 높은 신뢰성과 재현성의 전자소자 특성 구현 연구성과를 활용해 수소센서 및 바이오센서 등 탄소나노튜브 전자소자 상용화를 위한 다양한 후속연구를 진행할 예정이다. 연구 결과는 국제학술지인 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)' 온라인판 9월호에 게재됐다.(논문명:클릭 반응 기반 화학적 자기조 탄소나노튜브 네트워크의 밀도 조절 신뢰성 있는 트랜지스터 제조)

화학연 이미혜 원장은 "이번 연구로 높은 재현성을 갖는 탄소나노튜브 기반 전자소자의 새로운 플랫폼을 제시했다"며 "그동안 탄소나노튜브 전자소자의 낮은 재현성 문제로 상용화가 어려웠던 만큼 후속연구를 통해 탄소나노튜브 기반의 다양한 전자소자 상용화에 속도가 붙길 희망한다"고 말했다.

씨스켐닷컴(2022-11-30)