탄소나노튜브(carbon nanotube·CNT)의 표면을 균일하게 코팅할 수 있도록 돕는 나노전사인쇄 기반의 패터닝 기술이 국내에서 개발됐다.

KAIST는 기계공학과 박인규·김산하 교수와 고려대 세종캠퍼스 안준성 교수, 한국기계연구원 정준호 박사 공동연구팀이 ‘탄소나노튜브의 원자 침투성(atomic permeability) 향상을 위한 고정밀 나노 패터닝 기술’을 개발했다고 10일 밝혔다.

탄소나노튜브는 다이아몬드의 주성분인 탄소가 6각형 고리형태로 연결돼 지름 1나노미터의 긴 대롱 모양으로, 강철보다 강도가 높아 반도체·센서·화학·군수산업 등 각종 응용 분야에서 활용된다.

다만 고성능 반도체·센서·에너지 소자를 구현하기 위해서는 수직 성장한 탄소나노튜브 표면에 기능성 물질을 코팅하는 것이 필수적이지만 그간 합성된 탄소나노튜브는 높은 응집률로 원자 침투성이 떨어져 내부에 기능성 물질을 균일하게 코팅하는 것이 불가능한 한계를 보였다.

이를 극복하기 위해 탄소나노튜브의 마이크로 패터닝 등 전략적 기술이 개발 중이지만, 균일한 코팅을 위해 원자 침투성을 높인 탄소나노튜브의 구현은 아직 미흡한 실정이다.

하지만 공동연구팀은 정교하게 제작된 금속 또는 금속산화물 나노 구조체를 전사할 수 있는 나노 임프린팅 공정을 접목한 공정을 개발, 다양한 형상의 나노 패턴을 따라 탄소나노튜브 성장을 구현함으로써 원자 침투성을 개선해 기능성 물질 코팅의 품질을 끌어올리는 데 성공했다.

가령 원자층 증착법으로 세라믹 원자의 코팅을 수행한 나노 패턴 된 탄소나노튜브는 기존 탄소나노튜브의 높은 응집률로 세라믹 원자 증착 균일도 저하(한계)를 개선했다.
이 결과 나노 패턴 된 탄소나노튜브의 상단부에서 하단까지 나노 스케일로 균일하게 세라믹 코팅될 수 있게 됐다.

이러한 과정을 통해 개선한 세라믹 코팅 품질은 탄소나노튜브의 기계적 복원 특성을 높여 반도체·센서·에너지 소자의 반복적 활용과 산업적 적용에 기여할 수 있을 것으로 공동연구팀은 기대한다.

박 교수는 "공동연구팀이 개발한 수직 정렬 탄소나노튜브의 나노 패턴화 공정은 탄소나노튜브 기능성 코팅 응용에서 본질적 문제인 낮은 원자 침투성을 해결하는 역할을 할 것으로 기대된다“며 ”이 기술은 추후 기계적 화학적 응용을 포함한 탄소나노튜브의 산업 전반적 활용으로 이어질 수 있을 것?이라고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 산업통상자원부, 한국과학기술원의 재원으로 한국연구재단 중견연구자지원사업, 산업기술알키미스트프로젝트, 도약 연구 프로젝트의 지원을 받아 수행됐다.