반도체성 나노튜브의 대량 생산

 

작년 4월에 원자 몇 개의 두께를 갖는 길고, 직선이며, 정렬도가 높은 실린더 형태의 

탄소 분자를 제조하는 방법을 보고한 이후 듀크대(Duke University) 연구진은 최근 

반도체성(semiconducting) 단일 벽 탄소 나노튜브(single-walled carbon 

nanotubes)를 제조할 수 있는 프로세스를 소개하였다. 이러한 연구 성과는 나노미

터 영역에서 신뢰적으로 작동하는 나노전자소자를 제조하기 위한 초석으로 자리매

김할 것이라고 화학과 교수인 지에 리우(Jie Liu)는 말했다. 

 

이번 연구 결과는 탄소 나노튜브 연구에 있어 성전으로 표현될 수 있는데, 각각의 나

노튜브에 대해 위치, 배향, 전자적 성질이 모두 조절되었다. 연구진은 이러한 기술

을 바탕으로 고전류 전계효과트랜지스터 및 센서와 같은 수많은 전자 장치를 제조

할 수 있게 되었다. 한편 이번 연구 결과는 1월 20일자 Nano Letters에 보고되었으

며, 연구진은 본 기술에 대해 특허를 출원 중에 있다. 

 

연구진의 초기 연구에선 나노튜브 각각의 전자 성능이 발휘되도록 서로 교차하지 않

는 길고 병렬적인 통로를 형성하기 위해 나노튜브 다발을 어떻게 꼬는지에 대한 조

사가 이루어졌다. 이러한 방법은 연속적이고 깨지지 않는 석영 단결정으로 제조된 

주형에 나노튜브를 성장시키는 것이다. 이때 구리는 성장 촉진제로 사용된다. 탄소 

나노튜브는 말단이 막혀 있을 때 버키볼(buckyballs)의 형태를 취하기 때문에 때때

로 “벌키튜브”로 불린다. 사실 리우는 버키볼의 합성으로 라이스대(Rice 

University) 고 리챠드 스몰리(Richard Smalley)와 함께 노벨상을 수상하였다. 

 

위와 같은 나노튜브는 트랜지스터와 같은 전자 소자를 제조하는데 사용되는 현재의 

재료에 비해 감소된 열 방출 및 고주파 작동과 같은 장점이 있다. 고주파수에서의 작

동은 나노튜브가 무선 통신에서 보다 효과적으로 이용될 수 있다는 것을 시사한다. 

 

한편, 다수의 직선형 나토튜브를 생성하는 2008년 4월 JACS 보고에선 전자 소자로 

사용되기엔 문제점이 있었다. 즉, 몇몇 나노튜브는 반도체처럼 작동하며, 다른 것들

은 금속처럼 작동한다는 점이다. 트랜지스터로 구현되기 위해서 나노튜브는 모두 반

도체 성질을 지녀야 한다. 

 

연구진은 최근 보고에서 프로세스를 약간 변형하여 반도체성 나노튜브의 성장 조건

을 완벽히 형성할 수 있었다. 초기 연구에선 성장하는 나노튜브의 구축 블록으로서 

탄소 원자를 공급하기 위해 유입 기체로 에탄올이 사용되는 것이었다. 이후 그들은 

에탄올과 메탄올 그리고 아르곤과 수소를 조합하여 마침내 반도체성 나노튜브를 제

조하는데 성공할 수 있었다. 화학적으로 불활성인 아르곤 기체는 에탄올과 메탄올

을 일정량으로 공급하는데 사용되었고, 수소는 구리 촉매의 산화를 방지하는 역할

을 하였다. 

 

섭씨 900도의 작은 노에서 화학 증착법(chemical vapor deposition)을 통해 나노튜

브를 제조한 후 연구진은 이들의 전자 성질을 검사하기 위해 전계 효과 트랜지스터

를 제작하였으며, 이를 측정한 결과 95-98%의 반도체성 나노튜브가 형성된다는 것

을 알 수 있었다. 또한 연구진은 레이저와의 상호작용을 파악함으로써 반도체 혹은 

금속 성질을 구분해낼 수 있는 라만 분광법(Raman spectroscopy)을 이용하여 제

조된 나노튜브를 재검사하였다. 

 

한편 에탄올에 메탄올을 혼합하면 나노튜브의 직경이 작아져, 매질로 사용되는 석

영 결정을 통해 원자 정렬도가 향상된다는 것도 밝혀졌다. 이러한 나노튜브는 주사 

전자 현미경 및 원자 힘 현미경으로 분석되었다. 속 빈 탄소 실린더가 금속성인지 혹

은 반도체성인지를 구분하는 것은 보통 키랄성(chirality)으로 정의된다. 

 

연구진의 차기 과제는 성장 기체 혼합물의 조절이 어떻게 반도체성 나노튜브를 형성

하는지에 대해 원자 수준에서 이해하는 것이다. 또한 금속성 나노튜브만을 형성하

기 위한 조합에 대해서도 연구가 진행될 계획이다.

 

 

http://www.nanowerk.com/

출처 : KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-01-22