[이투데이-일본 산교타임즈 특약] 7-② 카본나노재료 응용기기 개발 ‘불꽃’

(2013년 1월30일자 산교타임즈 반도체산업신문)

최근 그라펜, 카본나노튜브(CNT), 나노혼 등의 카본나노 재료를 응용한 기기 개발이 활발하다. 캐리어 이동도·비표면적·기계적 강도·열전도율 등에서 기존 재료를 능가하는 특성에 따라 축전 디바이스, 반도체 디바이스, 투명도전막을 비롯한 폭넓은 분야에 응용될 것으로 기대된다.

카본나노 재료의 대표주자는 CNT다. CNT는 1991년 일본 이이지마 스미오 박사가 발명한 재료로, 전례없는 디바이스를 실현할 수 있는 재료로 주목받고 있다. 그러나 현재 가격이 g당 수십만 엔(단층 CNT 기준)으로 고가여서 연구·개발뿐만 아니라 양산에도 걸림돌이 되고 있다.

일본 산업기술종합연구소는 이같은 단점을 보완해 ‘슈퍼그로스법’으로 불리는 단층 CNT의 합성법을 개발했다. 배향성이 좋고 긴데다 표면적이 큰 CNT를 합성할 수 있는 것은 물론 극미량의 촉매에서 대량의 CNT를 합성할 수 있기 때문에 기존의 1000배의 생산 효율을 실현할 수 있다. 재료 가격이 낮아지는 것은 물론이다.

단층 CNT는 감는 방법에 따라 반도체형과 금속형으로 분류된다. 제조 시에는 대략 반도체3대, 금속1의 비율로 합성하며, 용도에 따라서는 반금(半金)분리를 통해 순도를 높여야 한다.

현재 95% 이상의 순도를 가능케 하는 분리기술은 확립돼 있으나 순도가 더 높은 CNT가 필요하다는 지적도 있다. 따라서 고순도에 저렴한 가격으로 분리할 수 있는 기술 개발이 필요하다.

미국 IBM은 1997년 고립된 나노튜브를 이용한 트랜지스터를 시험 제작했다. 2006년에는 링 오실레이터, 2012년에는 CNT 트랜지스터 1만개를 사용한 튜브 제조에 성공하는 등 CNT의 반도체 응용에 상당한 진전을 보이고 있다고 업계 관계자들은 보고 있다.

미국 벤처업체인 난테로도 CNT를 사용한 메모리 디바이스(NRAM)를 개발 중이다. 기본적인 스피드·파워·비용·신뢰성이 모두 우수하고 제조 프로세스에서도 스핀코트에 의해 CNT층을 형성하기 때문에 특수한 장치가 불필요, 투자비용 및 제조비용을 줄일 수 있다고 한다. 이미 4MB짜리 샘플 제공이 가능하며 여러 대형 반도체 업체의 양산라인에서 기술 평가가 진행 중이다. 회사는 1~2년 내에는 상품화할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

일본에서도 응용기술 개발은 활발히 이뤄지고 있다. 2010년에는 나고야 대학이 링 오실레이터를 시험 제작했다. 도시바는 2006년에 시작한 차세대 반도체 재료 및 프로세스 기반(MIRAI) 프로젝트를 통해 카본 배선기술을 개발, 다층 CNT의 고속성장과 고밀도 성장(2X10의12승/㎠)을 실현했다.

일련의 CNT 디바이스 응용 상황을 보면 기초기술에서는 일본이, 응용전개 기술에서는 그외 국가들이 발 빠른 행보를 보이고 있다.

※ 카본나노튜브(CNT)

6각형 고리로 연결된 탄소들이 긴 대롱 모양을 이루는 지름 1nm(1nm=10억분의1m) 크기의 미세한 분자다. 인장력이 강철의 100배인 데다 유연성이 뛰어난 미래형 신소재다. 속이 비어 있어 가볍고, 전기도 구리만큼 잘 통하며, 열전도도 다이아몬드만큼이나 좋은 것으로 알려져 있다.

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