'노벨상' 클릭화학, '성능 20배' 차세대 반도체 개발

화학연구원, 탄소나노튜브 소재 트랜지스터 제작 성공
"기존 대비 성능 20배 향상"

클릭반응을 이용한 탄소나노튜브로 만든 트랜지스터 제조 기술 이미지. 사진=한국화학연구원 제공

[아시아경제 김봉수 기자] 국내 연구진이 2022년 노벨 화학상을 받은 '클릭 화학' 기술을 이용해 차세대 고성능 반도체 기술을 개발하는 데 성공했다.

한국화학연구원은 임보규·정서현 박사 연구팀이 노용영 포항공대 교수 연구팀과 함께 꿈의 신소재로 불리는 탄소나노튜브 반도체를 이용해 높은 재현성과 안정성을 갖는 트랜지스터를 개발했다고 30일 밝혔다.

탄소나노튜브(carbon nanotube)는 탄소원자 6개가 육각형의 벌집모양으로 서로 연결되어 매우 작고 얇은 튜브 형태를 가지는 물질을 말한다. 기존의 실리콘 반도체 대비 70배 이상의 월등한 전기적 물성을 보유하고 있는 것이 밝혀지며 전 세계적으로 큰 주목을 받아 왔다. 그런데 탄소나노튜브는 반도체성과 도체성이 혼합돼 있어 지난 수년 동안 반도체성 탄소나노튜브의 선택적 분리를 통해 높은 성능의 탄소나노튜브 트랜지스터를 구현하고자 하는 연구가 집중돼 왔다. 필름 내의 탄소나노튜브의 밀도가 균일하지 않고 튜브 간의 연결성이 불규칙하기 때문에, 동일한 조건으로 제작된 탄소나노튜브 트랜지스터 간에도 성능 편차가 크고 재현성이 낮은 문제점을 가지고 있다. 또 이를 이용한 바이오센서 제작 시 세척 과정 중에서 필름이 탈착돼 소자 간의 민감도 차이가 크게 발생할 가능성도 있다.

연구팀은 이러한 한계를 극복해 반응 시간을 조절하면서도 필름 내에 밀도를 쉽게 조절할 수 있으며 짧은 반응 시간으로 고밀도의 탄소나노튜브 필름을 형성하는 기술을 개발했다. 특히 2022년 노벨화학상을 받은 '클릭반응' 기술을 이용했다. ‘아자이드(azide)’ 분자와 ‘알카인(alkyne)’ 분자가 핵심인 ‘클릭반응’이라는 매우 간단한 화학반응을 이용해 우수한 재현성을 갖는 탄소나노튜브 필름을 형성했다.

클릭반응이란 두 개의 서로 다른 화학 작용기가 컴퓨터 마우스를 ‘클릭’하는 것처럼 짧은 시간에 결합을 형성하는 반응을 말한다. 높은 열을 가하거나 복잡한 촉매의 도움 없이도 상온에서 쉽게 반응이 일어난다. 클릭반응을 개발한 연구자인 캐롤린 버토지( (Carolyn R. Bertozzi), 모르텐 멜달(Morten Meldal), 배리 샤플리스(K. Barry Sharpless)는 지난달 초 올해 노벨화학상 수상자로 결정됐다.

연구팀은 '아자이드(azide)’가 도입된 고분자를 합성해 반도체성 탄소나노튜브를 선택적으로 감아 분리했다. 그리고 ‘아자이드’와 클릭반응 할 수 있는 ‘알카인(alkyne)’ 기반의 고분자를 합성했다. 이를 빛이나 열을 이용하여 유리 기판 등에 화학결합으로 고정화했다. 이렇게 알카인이 고정화된 기판을 아자이드 고분자가 감겨있는 탄소나노튜브 용액에 넣고 클릭반응을 통해 탄소나노튜브 필름을 제조하였다.

이렇게 제작된 탄소나노튜브 필름 기반의 트랜지스터는 기존 방식 대비 성능이 20배 이상 향상됐고 소자 간의 성능 차가 크지 않아 매우 균일한 특성을 보인다.제조된 필름은 저농도의 탄소나노튜브 용액을 사용해도 5분 이내의 짧은 시간으로도 고밀도의 탄소나노튜브 필름을 형성할 수 있다. 기판과의 강력한 화학결합을 형성하여 다양한 용매 세척에도 떨어지지 않는 안정성을 가진다.

연구팀은 높은 신뢰성과 재현성의 전자소자 특성 구현 연구성과를 활용해 수소센서 및 바이오센서 등 탄소나노튜브 전자소자 상용화를 위한 다양한 후속연구를 진행할 예정이다.

이번 연구 결과는 화학공학 분야 국제학술지인 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’ 온라인판 9월호에 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr