탄소원자가 6개의 육각형 벌집모양으로 연결된 ‘탄소나노튜브’는 철보다 100배 이상 강도가 높고, 유연성도 우수하다. 또 기존 실리콘 반도체 대비 70배 이상 우수한 전기적 물성도 보유해, 차세대 반도체 소재로도 주목받는다.
임보규·정서현 한국화학연구원(화학연) 선임연구원팀은 이 탄소나노튜브를 이용해 새로운 고성능 트랜지스터 개발에 성공했다고 30일 밝혔다. 이번 연구는 노용영 포스텍 화학공학과 교수팀과 공동으로 진행했다.
그동안 탄소나노튜브를 새로운 반도체 소자 개발에 이용하려는 시도는 지속적으로 이뤄져왔다. 하지만 탄소나노튜브는 ‘반도체성’과 ‘도체성’이 혼합돼 있다는 특징이 있다. 때문에 전력 조절이 어려워 이를 이용한 반도체 소자 개발 연구에 속도가 나지 않는 상황이다. 또 필름 내 탄소나노튜브의 밀도를 균열하게 유지하는 것이 어려워, 반도체 제작 시에도 성능 편차가 크다는 문제가 있었다.
이런 한계를 극복하고자 연구팀은 ‘클릭 반응’ 기술 탄소나노튜브 반도체 소자 개발에 적용했다. 클릭반응은 두 개의 서로 다른 분자를 레고블록처럼 쌓아 연결하는 기술이다. 컴퓨터 마우스 클릭하듯 새로운 물질을 ‘뚝딱’ 만들어낼 수 있어 ‘클릭’이라는 이름이 붙었다. 캐롤린 R.베르토치 미국 스탠퍼드대 교수 등 이 기술 분야의 대가 3명이 2022년 노벨화학상을 수상해 주목받는 기술이기도 하다.
먼저 연구팀은 ‘아자이드’ 기반 고분자 합성 반응을 이용해 반도체성 탄소나노튜브 소자 주위를 마치 실처럼 감도록 만들었다. 그 다음, 아자이드 고분자와 클릭 반응을 할 수 있는 ‘알카인’ 기반 고분자를 합성하고, 유리 기판에 고정화시켰다. 이렇게 만들어진 유리 기판을 아자이드 고분자가 감겨있는 탄소나노튜브 용액에 넣고 아자이드-알카인의 클릭 반응을 유도해, 탄소나노튜브 필름을 제작하는데 성공했다.
연구팀은 이 탄소나노튜브 필름으로 새로운 트랜지스터를 만들었다. 이 트랜지스터는 기존에 제작됐던 탄소나노튜브 기반 트랜지스터보다 성능이 20배 이상 향상됐다. 소자 간 성능도 매우 균일해, 대량 공정 생산의 가능성도 확인했다. 또 다양한 용매 세척에도 떨어지지 않는 안정성을 가졌다.
이미혜 화학연 원장은 “이번 성과는 높은 재현성을 갖는 탄소나노튜브 기반 전자소자의 새로운 플랫폼을 제시한 연구결과”라며 “후속연구를 통해 탄소나노튜브 기반의 다양한 전자소자 상용화에 한 발짝 다가설 수 있는 계기가 되기를 희망한다”라고 말했다.
이번 연구 성과는 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널’ 온라인판 9월호에 게재됐다.