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제목 탄소나노튜브 구조·물성 원하는 대로 합성
보도일 2017-02-16 03:00 조회 15966
연구단명 다차원 탄소재료 연구단
보도자료 hwp 파일명 : [최종][IBS 보도자료] 탄소나노튜브 구조 물성 원하는대로 합성.hwp [최종][IBS 보도자료] 탄소나노튜브 구조 물성 원하는대로 합성.hwp
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탄소나노튜브 구조·물성 원하는 대로 합성

- 탄화텅스텐 촉매 활용해 고순도 반도체 구현, 실리콘 대체 가능성 높여 -

펑 딩(Feng Ding) IBS 다차원 탄소재료 연구단 그룹리더(UNIST 신소재공학부 특훈교수) 연구팀은 베이징대(Peking University) 징 장(Jing Zhang) 교수 연구팀과 공동으로 탄소나노튜브 벽1)의 구조적 비대칭성(Chirality)2)을 조절, 수평형3)의 반도체 나노튜브를 선택적으로 생산하는 데 성공했다. 이로써, 원하는 물성의 탄소나노튜브를 자유자재로 합성할 수 있는 기술의 토대를 마련한 것이다. 반도체 탄소나노튜브를 선택적으로 생산할 수 있을 뿐만 아니라 이용하는 촉매의 종류를 바꾸면 다양한 물성의 탄소나노튜브를 구현할 수 있음을 추가로 확인했다.이번 연구결과는 학술지 네이처(Nature, If=38.138) 온라인 판에 미국 동부시간으로 2월 15일 자에 게재된다.

탄소나노튜브는 머리카락 10만 분의 1정도의 굵기로, 탄소 원자가 육각형 벌집 모양을 이룬 흑연판이 길게 튜브처럼 말린 구조의 물질이다. 탄소나노튜브 중에서도 단일벽으로 구성된 수평형 탄소나노튜브는 반도체 성질을 띠고, 열 전도성과 물리적 강도가 우수해, 실리콘을 대체할 차세대 마이크로칩 소자로 주목받아왔다.

탄소나노튜브의 물성은 튜브의 직경과 튜브 벽이 뒤틀려 말린 각도, 즉 구조적 비대칭성(Chirality) 등에 따라 달라진다. 실험을 반복해 우연히 상용화에 좋은 물성을 결정하는 조건을 찾는 방법 외에는 최적화된 비대칭 구조를 찾아 튜브를 대량으로 제작하는 기술이 개발되지 못한 실정이었다.

연구진은 탄소나노튜브와 촉매의 결정 구조가 유사할수록 촉매와 탄소가 안정적으로 결합한다는 사실에 기반, 반도체 성질을 띠는 탄소나노튜브와 유사한 결정 구조를 갖는 촉매로 탄화텅스텐을 찾았다. 실험 결과, 탄화텅스텐은 탄소와 안정적으로 결합, 반도체 성질을 띠는 특정 형태의 탄소나노튜브를 성공적으로 합성하는 데 활용됐다.

연구진은 사파이어 결정 기판 위에 탄화수소 반응가스와 분말 형태의 초소형 탄화텅스텐 촉매를 공급해 순도 80-90% 이상의 탄소나노튜브를 합성하는 데 성공했다. 분말 형태의 초소형 탄화텅스텐은 직경이 작고 반도체 성질이 우수한 탄소나노튜브 형성을 유도했다. 이러한 탄소나노튜브는 벽면의 비대칭적 탄소 구조로 인해 표면 무늬가 고르지 않아, 탄소 원자가 들어갈 틈새가 생긴다. 이 특징으로 인해 튜브 합성 속도가 빠른 것으로 나타났다. 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"고 말했다.

또한 연구진은 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 것이다.

이번 연구는 탄소나노튜브의 물성을 자유자재로 제어할 수 있는 연구의 기반이 돼 기존 탄소나노튜브 생산율이 저조했던 점을 극복, 대량생산을 가능케 하는 데 기여할 것으로 보인다. 연구진은 후속 연구를 통해 다양한 물성을 지닌 탄소나노튜브 합성 원리를 규명하고, 합성 과정을 제어할 수 있는 방안을 연구할 예정이다. 이를 통해 맞춤형 고성능 탄소나노튜브 개발에 박차를 가할 것으로 기대를 모으고 있다.

이번 연구결과는 학술지 네이처(Nature, If=38.138) 온라인 판에 미국 동부시간으로 2월 15일 자에 게재된다.


▲ [그림 1] 탄소나노튜브의 물성을 결정하는 흑연판의 비대칭성


▲ [그림 2] 반도체 탄소나노튜브의 합성 원리

1) 탄소나노튜브 벽: 탄소나노튜브는 흑연판으로 이루어진 벽(Wall)이 있는데, 이 벽의 개수에 따라 단일벽 탄소나노튜브(Single-walled carbon nanotube; SWCNT) 또는 다중벽 탄소나노튜브(Multi-walled carbon nanotube; MWCNT)로 구분할 수 있다. 또한, 여러 개의 탄소나노튜브가 뭉쳐있는 형태의 다발형(Carbon Nanotube rope)으로 존재하기도 한다.

2) 비대칭성(Chirality): 탄소나노튜브는 흑연판이 튜브처럼 말린 구조의 물질인데, 비대칭성은 흑연판이 말리는 방향에 관한 개념이다. 똑바로 말리지 않고, 흑연판이 뒤틀려 말리는 것을 비대칭적이라 하는데, 비대칭적인 정도에 따라 물질의 도체, 반도체성 등의 물성이 결정된다.

3) 수평형 탄소나노튜브: 기존에 만들기 쉬운 수직형 탄소나노튜브 연구는 많이 진행돼왔으나 전자 소자 제작에 용이한 수평형 탄소나노튜브에 대한 연구는 적었다. 전자 소자에 활용하기 위해 탄소나노튜브를 옮길 때, 수평구조에서 수평구조로 튜브를 옮기는 것이 별도의 처리과정이 없어 더욱 효율적이다.

  • [YTN사이언스] 반도체·도체…탄소나노튜브 원하는 대로 만든다
  • [이코노믹리뷰] 탄소나노튜브 수평 구조 합성 방법 발견···반도체 실리콘 대안
  • [전자신문] 탄소나노튜브 원하는 물성 보이게 합성, 활용도 높여
  • [연합뉴스] 반도체 탄소나노튜브 선택적 합성 성공…실리콘 대체 가능성
  • [KBS] 반도체 탄소나노튜브 선택적 합성 성공
  • [디지털타임스] 차세대 핵심 소재 `탄소나노튜브` 대량 생산 기술 확보
  • [경향신문] 원하는 물성 가진 ‘탄소나노튜브’ 생산할 길 열려
  • [서울경제] 탄소나노튜브 구조·물성 원하는 대로 합성
  • [뉴시스] IBS
  • [아시아경제] 머리카락 10만분의1 탄소나노튜브…자유자재로 만든다
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    최종수정일 2023-11-28 14:20