탄소나노튜브 균일 코팅 문제, 반도체 활용 고정밀 가공기술 개발로 해결

맨왼쪽부터 KIMM 정준호 박사, 하지환 박사후연구원, KAIST 박인규 교수, 양인영 박사과정, 김산하 교수, 고려대 안준성 교수. KAIST 제공

국내 연구진이 차세대 신소재 '탄소나노튜브'의 본질적 문제인 표면 균일 코팅 방법을 찾았다. 반도체, 센서, 화학, 군수 등 다양한 산업분야에서 탄소나노튜브가 활용되기 위한 선결 작업을 해결할 수 있을지 주목된다.

KAIST는 기계공학과 박인규, 김산하 교사와 한국기계연구원 정준호 박사, 고려대 세종캠퍼스 안준성 교수가 공동연구를 통해 '탄소나노튜브의 원자 침투성 향상을 위한 고정밀 나노패터닝기술'을 개발했다고 10일 밝혔다.

탄소나노튜브는 다이아몬드의 주성분인 탄소들이 6각형 고리 형태로 연결돼 지름 1㎚(나노미터)의 긴 대롱 모양을 하는 모양으로, 강철보다 강도가 높아 다양한 응용 분야에서 활용이 가능한 소재다. 다만 고성능 반도체, 센서, 에너지 소자를 구현하기 위해선 금속·세라믹 소재가 표면에 코팅돼야 한다. 기계적 복원 특성을 높이기 위한 것으로 반드시 선결돼야 하지만 합성된 탄소나노튜브는 높은 응집률을 가져 원자 침투성이 떨어지고 내부에 기능성 물질을 균일하게 코팅하는 게 불가능한 한계가 있었다.

나노패턴된 탄소나노튜브의 원자침투성 개선 전략과 응용. KAIST 제공

연구팀은 이를 극복하기 위해 정교하게 제작된 금속이나 금속산화물 나노구조체를 전사할 수 있는 '나노 임프린팅 공정'을 접목했다. 그 결과 다양한 형상의 나노 패턴을 따라 탄소나노튜브 성장을 구현해 원자 침투성의 개선을 통한 기능성 물질 코팅이 가능해졌다.

이러한 방식을 적용하자 실제 기존 한계를 개선해 나노패턴된 탄소나노튜브의 상단부터 하단까지 나노 스케일로 균일한 세라믹 코팅 결과를 보였다. 또 내부까지 금속이 증착돼 품질을 개선하면서 민감성과 반응성을 높인 센서로 활용할 수 있을 전망이다.

박인규 KAIST 교수는 "개발된 수직 정렬 탄소나노튜브의 나노패턴화 공정은 탄소나노튜브 기능성 코팅 응용에 있어 본질적인 문제인 낮은 원자 침투성을 해결할 수 있을 것으로 기대되고 추후 기계적 화학적 응용을 포함한 탄소나노튜브의 산업 전반적 활용으로 이어질 수 있을 것"이라며 "이는 나노 소재의 구조화·기능화와 같은 나노테크놀로지의 압도적 선도국가가 되기 위한 발판이 될 것"이라고 말했다.

한편 기계연 하지환 박사후연구원, KAIST 기계공학과 양인영 박사과정, 고려대 안준성 교수가 공동 제1저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈'에 게재됐다.
임효인 기자