IBS "차세대 반도체 소자 '탄소나노튜브' 원하는 대로 합성"

【대전=뉴시스】IBS 다차원 탄소재료 연구단 펑 딩(Feng Ding) 그룹리더(사진 왼쪽) 샤오 왕 연구위원(오른쪽).

【대전=뉴시스】이시우 기자 = 반도체 탄소나노튜브를 원하는대로 만들 수 있는 기술이 개발됐다.

 기초과학연구원(IBS)은 뒤틀린 탄소나노튜브 벽을 수평 구조로 생산하는데 성공했다고 15일 밝혔다.

 이번 연구는 다차원 탄소재료 연구단 펑딩 그룹리더(UNIST 신소재공학부 특훈교수) 연구팀이 베이징대 징장 교수 연구팀과 공동으로 수행했다.

 탄소나노튜브는 탄소 원자가 육각형 벌집 모양을 이룬 흑연판이 길게 튜브처럼 말린 구조의 물질이다.

 특히 단일 벽으로 구성된 수평형 탄소나노튜브는 반도체 성질을 띠고, 열 전도성과 물리적 강도가 우수해, 실리콘을 대체할 차세대 마이크로칩 소자로 주목받아 왔다.

 하지만 튜브 벽이 뒤틀려 말린 각도에 따라 물성이 달라져 튜브를 대량으로 제작하는데 한계가 있었다.

 연구팀은 탄소나노튜브와 촉매의 결정 구조가 유사할수록 촉매와 탄소가 안정적으로 결합한다는 사실에 착안해 탄화텅스텐을 촉매로 선택했다.

 사파이어 결정 기판 위에 탄화수소 반응가스와 분말 형태의 초소형 탄화텅스텐 촉매를 공급하자 분말 형태의 초소형 탄화텅스텐은 직경이 작고 반도체 성질이 우수한 탄소나노튜브 형성을 유도했다.

【대전=뉴시스】탄소나노튜브는 튜브 벽면 탄소원자 배열이 대칭적이어서 즉, 표면 무늬가 균일해 탄소 원자가 투입될 수 있는 틈새가 없어 합성 속도가 느리다(사진 왼쪽). 반면, 튜브 벽면의 비대칭적인 탄소 배열은 표면 무늬가 고르지 않고, 탄소 원자가 들어갈 수 있는 틈새가 있어 튜브 형상이 빠르게 만들어지는 것(오른쪽)을 확인했다. (사진=IBS 제공)  

 비대칭적 구조의 탄소나노튜브는 벽면에 있는 틈새에 탄소 원자가 들어가 튜브를 빠르게 합성한 것이다.

 이 같은 방법으로 반도체 성질을 띠는 특정 형태의 탄소나노튜브를 합성하는데 성공했다.

 연구팀은 또 초소형 분말 탄화몰리브덴 촉매를 사용해 도체 탄소나노튜브를 합성할 수 있다는 사실을 확인했다.

 이는 적합한 종류의 촉매 물질을 활용하면 원하는 물성의 탄소나노튜브를 합성할 수 있다는 가능성을 보여준 것이라고 연구원은 설명했다.

 펑딩 교수는 "안정적인 화학 결합을 이룰 수 있는 촉매를 찾아 탄소나노튜브의 합성 속도를 최적화할 수 있는 크기로 활용하면, 이론적으로 순도 99.9% 이상을 가진 탄소나노튜브를 선택적으로 합성할 수 있다"라며 "탄소나노튜브를 대량 생산하는데 기여할 것으로 기대한다"라고 말했다.  

 한편, 이번 연구 결과는 학술지 '네이처' 온라인 판에 이날 게재됐다. 논문 제목은 'Array of horizontal carbon nanotube of controlled chirality using designed catalysts'이다.

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