탄소나노튜브는 강철보다 강도가 높아 반도체, 센서, 화학, 군수산업 등 다양한 응용 분야에 활용된다. 다만 실제 사용시 금속·세라믹 소재가 표면에 코팅돼야 한다. 우리 연구진이 탄소나노튜브 표면을 균일 코팅할 수 있게 보조하는 나노전사인쇄 기반 패터닝 기술 개발에 성공했다.
한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 박인규·김산하 기계공학과 교수가 안준성 고려대 세종캠퍼스 교수, 정준호 한국기계연구원 박사와 탄소나노튜브 원자 침투성 향상을 위한 고정밀 나노패터닝 기술을 개발했다고 8일 밝혔다.
고성능 반도체, 센서, 에너지 소자를 구현하려면 수직 성장된 탄소나노튜브 표면에 기능성 물질을 코팅하는 것이 필수지만, 합성된 탄소나노튜브는 응집률이 높아 원자 침투성이 떨어지고 내부에 기능성 물질을 균일 코팅하는 것이 불가능하다.
극복을 위해 탄소나노튜브 마이크로 패터닝 등 다양한 전략적 기술이 개발되지만 균일 코팅을 위해 높은 원자 침투성을 갖는 탄소나노튜브 구현은 아직 미흡하다.
공동 연구팀은 정교하게 제작된 금속, 금속산화물 나노구조체를 전사할 수 있는 나노 임프린팅 공정을 접목한 공정을 개발했다.
그 결과 다양한 형상의 나노 패턴을 따라 탄소나노튜브 성장을 구현해 원자 침투성 개선을 통한 기능성 물질 코팅 품질 향상을 이룩했다.
일례로 원자층 증착법을 통한 세라믹 원자 코팅을 수행한 나노 패턴된 탄소나노튜브는 기존 탄소나노튜브의 높은 응집률로 세라믹 원자 증착 균일도 저하 한계를 개선했다.
나노 패턴된 탄소나노튜브 상단부에서 하단까지 나노 스케일로 균일한 세라믹 코팅 결과를 보였다.
이처럼 세라믹 코팅 품질 개선은 탄소나노튜브의 기계적 복원 특성을 높일 수 있기에 반도체, 센서, 에너지 소자의 반복적 활용, 산업 적용을 위해 반드시 선결돼야 한다.
또 전자빔 증착법과 같은 물리적 증착법 역시 나노 패턴으로 인한 원자 침투성 증진으로 패턴이 없는 탄소나노튜브가 상단에만 금속이 증착되는 것에 비해 나노 패턴된 탄소나노튜브는 내부까지 금속이 증착되는 결과를 보였다.
이와 같은 금속 증착 품질 개선은 가스 센서와 같은 활용을 위한 촉매 역할을 해 보다 민감하고 반응성이 우수한 센서 활용이 가능해진다.
박인규 KAIST 교수는 “개발된 수직 정렬 탄소나노튜브의 나노패턴화 공정은 탄소나노튜브 기능성 코팅 응용에 있어 본질적인 문제인 낮은 원자 침투성을 해결할 수 있을 것으로, 추후 기계적 화학적 응용을 포함한 탄소나노튜브의 산업 전반적 활용으로 이어질 수 있을 것”이라며 “나노 소재 구조화 및 기능화와 같은 나노테크놀로지의 압도적 선도 국가가 되기 위한 발판이 될 것”이라고 설명했다.
한국기계연구원의 하지환 박사후연구원, 양인영 KAIST 기계공학과 박사과정, 안준성 고려대 세종캠퍼스 교수가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 저명 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’ 6월 온라인판에 출판됐다. 학술지 전면 표지논문으로 선정됐다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 및 산업통상자원부, 한국과학기술원 재원으로 한국연구재단 중견연구자지원사업, 산업기술알키미스트프로젝트, 도약연구 프로젝트 지원을 받아 수행됐다.