적외선 센서로 사용되는 탄소 나노튜브

KISTI 『글로벌동향브리핑』 2010-01-05

반도체 물질은 소자 연구에 다양한 응용과 소자 개발에 새로운 장을 열어주고 있다. 실제로 실생활에 많은 소자들이 반도체를 이용하여 만들어지고 있다. 하지만 나노 수준으로 갈수록 새로운 반도체 물질이 절실히 요구된다. 그 중의 하나로 탄소 나노튜브는 많은 관심의 대상이 되고 있다. 탄소 나노튜브를 이용하여 기존에도 많은 센서를 개발하였다. 예를 들면, 스페인 연구진은 실시간에 가까운 속도로 세균성 장티푸스균(Salmonella Typhi)를 선택적으로 검출할 수 있는 탄소 나노튜브로 만들어진 병원균 생물센서를 증명했다. 이 생물센서의 가장 중요한 강점은 간단한 양성/음성 테스트가 제로-용인(zero-tolerance) 조건에서 다른 종류의 세균과 교차반응 없이 수행될 수 있다는 것이다. 전위차 분석으로 이루어진 간편한 측정은 미세생물학 분석에서 새로운 길을 열어 주었다. 또한, 델프트 공과대학(Delft University of Technology) 연구진은 탄소나노튜브로 노(paddle) 모양의 장치를 만들었다. 이 장치는 가변 게이트 전압(varying gate voltage)이 인가되었을 때 두 개의 매우 다른 방식으로 공진을 하고 탄소나노튜브는 자신의 움직임을 검출할 수 있는 스프링으로 작용한다. 탄소나노튜브는 나노전자기계 시스템(nanoelectromechanical system, NEMS)에 사용하기 위한 질량 센서를 만드는데 이상적일 수 있다. 나노튜브의 작은 직경 덕분에 매우 작은 양을 나노튜브 위에 놓았을 때 장치는 편향하거나 뒤틀리게 되고 따라서 공진기의 성질들이 매우 변하게 된다. 이러한 응력이 인가될 때 발생하는 탄소나노튜브의 전자 성질 변화는 검출될 수 있어서 감지 적용을 위해서 사용되었다. 또한, 일본 산업기술종합연구소 나노테크놀로지 연구부문은 미세하게 분산된 단층 탄소나노튜브(SWCNT; Single-Walled Carbon Nanotubes)를 이용한 고감도 이산화질소 가스센서를 개발하였다. 탄소 나노튜브는 상당히 큰 비표면적을 가진 단일 성분원소인 탄소가 튜브형태의 표면을 가지고 있어, 기존 재료에 없는 독특한 특성을 가지고 있어 고감도 가스센서로의 응용이 기대되고 있다. 이는 하이드록시프로필셀룰로오스(HPC; hydroxypropyl cellulose)라고 불리는 셀룰로오스 전도체를 분산제로 이용하여 SWCNT의 미세한 네트워크 구조를 간단히 형성할 수 있었다. 이 SWCNT 네트워크 구조를 이용함으로써 낮은 비용으로 고감도 이산화질소 가스센서를 개발하였다. 이번에는 미국 미시간 주립대학교 (Michigan State University) 전자공학과 교수인 닝 시(Ning Xi) 박사가 워싱턴 대학교(Wasington University in St. Louis)와 공동으로 탄소 나노튜브를 이용하여 적외선 센서를 개발하였다. 탄소 나노튜브는 다양한 밴드 갭(band gap)을 가지고 있어서 특정 적외선 파장에서 반응하는 센서를 만들 수 있다고 닝 시 교수는 설명하였다. 연구진은 다중벽 탄소 나노튜브의 외부를 차근차근 제거하면서 밴드 갭에 따른 적외선 검출 과정을 관찰하였다. 이러한 연구를 통하여 향후 나노 수준에서 반도체의 전기적 특성을 이용한 다양한 센서를 제작하는 새로운 가능성을 보여준 것이 가장 큰 소득이라고 닝 시 교수는 설명하였다. 자세한 내용은 첨부한 논문을 참조하기 바란다. 참고 논문:Lai, et al., “Engineering the band gap of carbon nanotube for infrared sensors,” Physical Review Letters (2009). Available online: http://link.aip.org/link/?APPLAB/95/221107/1 221107_1-F1.jpg 221107_1-F2.jpg 221107_1-F3.jpg 출처 : http://www.physorg.com/print181807056.html