CNT TFT & CNT electrode

1991년 일본의 Ijima 박사가 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT)라는 물질을 발견해 Nature지에 발표합니다. 이 물질은 곧 엄청난 가능성을 가진 것을 밝혀져 큰 주목을 받게 되는데요, 그 이유는 기존 소재에 비해 월등한 전기적, 기계적, 화학적, 광학적 물성을 나타내었기 때문입니다.

CNT를 발견하신 Iijima 옹

기존 소재와 이 물질이 다른 이유는 간단합니다.  가장 적은 수의 접점으로 외력에 대해 가장 안정된 구조를 갖는 구조는 다름아닌 6각 벌집 구조(hexagonal, honeycomb)입니다.

벌집의 확대사진

헌데 탄소나노튜브는 기본적인 원자 배열 단위가 바로 저 6각 벌집 구조였습니다.  탄소 원자를 6각 벌집구조로 평평하게 배열하면 그래핀(graphene)이 되고, 이를 다시 죽부인처럼 둘둘 말면 CNT가 됩니다.  죽부인 가벼우면서도 참 단단하죠? 나노 단위의 죽부인이니, 얼마나 작으면서도 단단하겠습니까.

죽부인과 아름다운 여인네들

(좌) graphene의 실제 사진(TEM) (우) CNT의 모습

이 CNT의 여러가지 물성(property) 중,  특히 전하 이동 물성은 충격적입니다. 널리 쓰이는 실리콘이 1000 cm2/V·s을 넘지 못는데요,  탄소나노튜브는 이론상 100,000 cm2/V·s의 전하 이동도를 가진 것으로 밝혀졌습니다, 게다가 이는 2010년 현재까지 10,000 cm2/V·s의 측정치로 점점 현실화되고 있답니다.

이렇듯 탁월한 물성을 보이는 CNT를 응용하는 분야 가운데, 특히 각광을 받는 분야가 전극과 트랜지스터 소재로써의 응용입니다. CNT는 나노 단위의 죽부인이므로 휘어져도 잘 안부러집니다. 따라서 휘어질 수 있는 기판 위에 CNT를 올려놓으면 투명하면서도 휘어질 수 있는 전자소자로의 응용이 가능합니다. 이게 가능하면 터치패널, 디스플레이, 태양전지 등 많은 전자소자들을 참 다양한 형태로 만들어낼 수 있겠죠.

아래 그림들이 CNT로 만든 투명하고 휘어지는 전극과 트랜지스터입니다.

CNT를 이용해 만든 투명하고 휘어질 수 있는 전극의 모습과 그 응용분야들

CNT로 만든 투명하고 휘어질 수 있는 트랜지스터들

그런데 이 응용에도 여러가지 제약이 따르는데요. 아까 말한 이론치에 근접하는 높은 물성치는 CNT 한가닥의 물성치라는 겁니다.

한 가닥의 CNT로 만든 FET



한 가닥의 CNT로 만든 FET의 여러 가지 형태와 I-V 특성

현재까지는 이렇게 CNT 한가닥의 길이 및 위치를 완벽히 제어할 수 있는 기술이 존재하지 않습니다. 너무 작기 때문입니다. 그래서 이렇게 제작된 FET는 거의 연구용으로만 쓰이며, 실제 응용은 사실상 불가능합니다.

이를 해결하기 위해 CNT로 network 형태를 가진 박막(film)을 만들어서, 그 박막을 투명한 전극으로 이용하거나, 박막 트랜지스터 (Thin Film Transistor, TFT) 소자의 채널(channel)로 이용하는 연구가 활발히 진행되어 왔습니다.

헌데 CNT로 전극이나 TFT를 만들려면, 아직도 해결하지 못한 두 가지 문제가 있습니다.

첫 번째는 탄소나노튜브의 방향성 배열(alignment)입니다. 이 문제를 해결하지 못하면 CNT TFT가 개별 CNT FET 소자보다 훨씬 낮은 성능을 나타내게 됩니다. 죽부인 하나하나는 기가 막히게 매끈매끈해서 공이 잘 굴러가는데, 죽부인이 무질서하게 연결되어 있으면 연결부분에서 공이 막히는 원리입니다.

두 전극사이에 (좌) 무질서하게 배열된 CNT, (우) 정렬된 CNT

두 번째는 반도체성/도체성 탄소나노튜브의 분리(Semiconducting/Metallic carbon nanotube separation)입니다. CNT는 기본적으로 반도체성과 도체성이 섞여 있습니다. 아직까지는 이 둘을 완벽하게 분리하기가 매우 힘듭니다.

이걸 그대로 사용해 트랜지스터를 만들면, 도체성 CNT가 트랜지스터의 양 전극을 그대로 이어 버리게 됩니다. 쉽게 말해 쇼트(단락), 어렵게 말하면 leakage current, 누설 전류 성분이 되는 겁니다. 또 전극을 만들면, 도체성 CNT로만 만든 전극보다 저항이 높아지겠죠.

(좌) CNT로 만든 투명 스피커 (우) CNT로 만든 투명 사인보드

이렇듯 아직 해결해야할 문제가 많지만, 무한한 가능성을 가진 물질이 CNT입니다. 연구할 분야가 무궁무진하기에 전 세계 각지에서 많은 사람들이 뛰어들어 연구를 거듭하고 있습니다. 응용 연구도 활발히 진행되고 있으며, 개중에는 이미 제품으로 나온 사례도 있습니다. 곧 CNT로 만든 많은 디스플레이와 전자제품들이 등장하면, 우리 생활의 모습도 많이 바뀌게 될 겁니다.

/황두희

Carbon nanoelectronics 연구실 박사 과정

“오늘은 죽부인이고 싶습니다”