반금속 탄소나노튜브 예견 원리 규명

[산업일보]
고려대학교 물리학과 이철의 교수 연구팀은 최근 제일원리계산을 통해 수소 흡착된 탄소나노튜브가 반금속이 됨을 예견하고 그 원리를 규명했다.

탄소나노튜브는 탄소들이 모여 나노크기의 매우 긴 튜브를 형성한 것으로 1991년 처음 발견된 이래 학술적 및 기술적 관심이 지속되어 왔으며, 나노튜브를 이용한 전자공학 및 스핀트로닉스 소자개발이 상당히 진척됐다. 이철의 교수 연구팀은 세계적인 학술지인 Advanced Materials 최근호에서 제일원리계산을 통해, 수소 흡착된 탄소나노튜브가 반금속이 되는 것을 예견하고 그 원리를 규명했다.

이철의 교수 연구팀의 연구결과에 의하면, 탄소나노튜브에 흡착된 수소는 마치 그래핀 나노리본의 가장자리에서 형성되는 것과 같은 전자상태를 유발하고 이들에 의해 반금속 특성을 나타내게 된다. 반금속성을 나타내기 위해서는 흡착된 수소들이 적절한 패턴을 형성해야만 한다. 소자로 응용하기 위해서는 탄소나노튜브를 실리콘 기판위에 배치해야 하는데, 재미있게도 이런 조건에서의 수소흡착은 스스로 적절한 패턴을 형성할 것으로 예견되었다. 탄소나노튜브의 합성 및 소자제작은 오랜 연구를 통해 상당 수준의 기술에 도달해 있으며, 이처럼 잘 개발된 조건에서 탄소나노튜브는 반금속이 될 것으로 예견된다. 더욱이 수소흡착에 의한 반금속성은 다른 탄소소재에도 쉽게 적용될 수 있기 때문에 탄소소재 기반 스핀트로닉스의 실현이 크게 앞당겨질 것으로 여겨진다.

교육과학기술부 기초연구지원사업 (한국연구재단 구 국가지정연구실사업 및 선도연구센터지원사업) 과정에서 나온 이번 성과는 탄소의 물성에 대한 원리적 기반을 제공할 뿐더러 친환경 소재 개발 및 이에 기초한 첨단기술 구현에 기여하는 것으로 평가된다.

10억분의 1미터에 해당하는 나노 크기의 탄소나노튜브는 금속성과 반도체 특성을 모두 가질 수 있기 때문에 전자소자로의 개발이 활발하게 진행되고 있으며, 여러 형태의 시제품들이 고안되고 발표되어왔다. 금속성의 탄소나노튜브를 이용한 스핀트로닉스 소자의 기본 형태도 제시되어왔으나, 이때는 불가피하게 중금속을 포함하는 반금속 전극을 사용해야했다. 반금속 나노튜브를 사용하면 가볍고 친환경적소재로 구성된 스핀트로닉스 소자의 고안과 제작이 가능하다.

또한, 최근 이철의 교수 연구팀(연구진: 이규원 연구교수)은 탄소의 한 형태인 흑연과 풀러린이 영구자석이 되는 원리를 규명하여 탄소기반 스핀트로닉스의 가능성을 보인 바 있다.