구조와 물성을 원하는 대로 제어할 수 있는 고순도 반도체 탄소나노튜브 합성 기술

탄소나노튜브를 합성할 수 있는 기술의 토대

Feng Ding 교수 연구팀은 Jing Zhang 교수의 연구팀과 공동으로 탄소나노튜브 벽의 구조적인 비대칭성을 조절해 수평형 반도체 나노튜브를 선택적으로 생산하는 데 성공했는데, 이는 원하는 물성의 탄소나노튜브를 자유자재로 합성할 수 있는 기술의 토대를 마련한 것이다.

그 이유는 반도체 탄소나노튜브를 선택적으로 생산할 수 있을 뿐만 아니라 이용하는 촉매의 종류를 바꿀 시 다양한 물성의 탄소나노튜브를 구현할 수 있기 때문이다.

탄화텅스텐과 탄소의 안정적 결합

연구진은 탄소나노튜브와 촉매의 결정 구조가 유사할수록 촉매와 탄소가 안정적으로 결합한다는 사실에 기반을 두고 반도체 성질을 띠는 탄소나노튜브와 유사한 결정 구조로 이뤄진 탄화텅스텐을 찾아 실험을 진행했다. 실험 결과 탄화텅스텐은 탄소와 안정적으로 결합되어 반도체 성질을 띠는 특정 형태의 탄소나노튜브를 성공적으로 합성하는 데 긍정적인 역할을 했다. 2014년 Feng Ding 교수 연구진은 텅스텐 합금을 촉매로 활용해 도체 탄소나노튜브를 제작한 경험이 있는데, 당시에는 도체 탄소나노튜브만을 얻을 수 있었다.

하지만 이번 연구가 2014년에 있었던 연구의 연장선상과도 같은 성격을 지니고 있었기 때문에 연구진은 탄화텅스텐을 촉매로 활용한 반도체 탄소나노튜브 합성에 있어서 성공을 거둘 수 있었다. 한편, 연구진은 사파이어 결정 기판 위에 탄화수소 반응 가스와 분말 형태의 초소형 탄화텅스텐 촉매를 공급해 순도 80~90% 이상의 탄소나노튜브를 합성하는 데도 성공했는데, 분말 형태의 초소형 탄화텅스텐이 직경이 작고 반도체 성질이 우수한 탄소나노튜브 형성을 유도하는 역할을 했다.

이 같은 탄소나노튜브는 벽면의 비대칭적 탄소 구조로 인해 표면 무늬가 고르지 않아 탄소 원자가 들어갈 틈새가 생기는데, 이것이 빠른 튜브 합성 속도로 이어졌다. 추가적으로 연구진은 초소형 분말 탄화몰리브덴 촉매를 활용해 도체 탄소나노튜브를 합성할 수 있다는 사실을 확인하게 되었는데, 이는 적합한 종류의 촉매 물질을 활용할 시 원하는 물성의 탄소나노튜브를 합성할 수 있다는 가능성을 보여준 것이어서 의미가 크다고 할 수 있다. 한편, 연구를 진행한 Feng Ding 교수는 “안정적인 화학 결합을 이룰 수 있는 촉매를 찾아 탄소나노튜브의 합성 속도를 최적화할 수 있는 크기로 활용할 시 이론적으로는 순도 99.9% 이상을 갖춘 탄소나노튜브를 선택적으로 합성할 수 있다”라고 말했다.

기존 탄소나노튜브의 한계를 극복하는 데 유용

이번에 진행된 연구는 탄소나노튜브의 물성을 자유롭게 제어할 수 있는 연구의 기반이 되어 온 기존 탄소나노튜브의 저조한 생산율을 극복하는 동시에 대량 생산을 지원하는 데도 기여할 것으로 보인다. 연구진은 이번 연구를 잇는 후속 연구를 실시해 다양한 물성을 지니고 있는 탄소나노튜브의 합성 원리를 규명할 뿐만 아니라 합성 과정을 제어할 수 있는 방안을 연구할 계획인데, 이를 통해 연구진은 맞춤형 고성능 탄소나노튜브 개발에 박차를 가할 것으로 보인다.

자료 제공 : 기초과학연구원