안녕하세요! 케미러브입니다 :)

12월이 되면서 이제 본격적으로 겨울이 찾아오고, 날씨가 많이 추웠는데요, 다들 건강하신가요??

벌써 케미러브로 활동한지 7개월이 돼가고, 이 게시물이 마지막 게시물일 것 같습니다 ㅠㅠ

마지막 게시글까지도 한국화학연구원의 최신 연구성과에 대한 이야기입니다 !!

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그러면 마지막 글, 시작해보겠습니다 ~!!

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- 2022년 노벨화학상 수상 분야인 ‘클릭반응’을 이용하여 기존 대비 재현성이 매우 우수하고,

성능이 20배 이상 향상된 탄소나노튜브 반도체 트랜지스터 개발

- 세계적 권위의 국제학술지인 ‘Chemical Engineering Journal’ 9월호 게재

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전 세계 반도체 산업은 향후 2030년까지 현재 기준 대비 약 2배 이상인 약 1조 달러 규모로 성장할 것으로 예측*될 만큼 매우 중요한 미래산업으로 자리잡고 있는 가운데, 국내 연구진이 ‘탄소나노튜브** 반도체’를 이용한 고성능 트랜지스터 개발에 성공하였습니다.

이러한 대단한 성과를 세계적인 권위의 국제학술지에 내용이 담긴 것이 너무 영광스러운 일인 것 같습니다 !!!

* 한국산업기술진흥원, 「(산업·기술동향) 글로벌 반도체 산업 1조 달러 규모로 성장 전망(McKinsey, 4.1)」

** 탄소나노튜브(carbon nanotube) : 탄소원자 6개가 육각형의 벌집모양으로 서로 연결되어 매우 작고 얇은 튜브 형태를 가지는 물질

 

더 자세히 말씀드리자면, 한국화학연구원(이미혜 원장님)의 정밀·바이오화학연구본부의 임보규·정서현 박사님 연구팀과 포항공과대학교 노용영 교수님 연구팀은 꿈의 신소재로 불리는 탄소나노튜브 반도체를 이용하여 높은 재현성*과 안정성을 갖는 트랜지스터를 개발하였습니다.

* 재현성 : 어떤 연구결과를 동일한 조건에서 반복하여 실험을 하더라도 기존과 동일한 연구결과가 도출되는지 여부로, 이는 연구에 있어서 매우 중요한 요소임.

 

본 연구결과를 통해 탄소나노튜브 반도체 트랜지스터로의 활용뿐만 아니라, 향후 탄소나노튜브 기반 가스 센서 및 바이러스 감지센서 등 다양한 센서 플랫폼으로도 활용될 수 있을 것으로 기대된다고 합니다. 저 또한 전망과 적용분야가 기대가 되는데요 ㅎㅎ

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탄소나노튜브는 기존의 실리콘 반도체 대비 70배 이상의 월등한 전기적 물성을 보유하고 있는 것이 밝혀지며 전 세계적으로 큰 주목을 받아 왔습니다. 그런데 탄소나노튜브는 반도체성과 도체성이 혼합되어 있어, 지난 수년 동안 반도체성 탄소나노튜브의 선택적 분리를 통해 높은 성능의 탄소나노튜브 트랜지스터를 구현하고자 하는 연구가 집중되어 왔었는데요 ,

 

하지만 필름 내의 탄소나노튜브의 밀도가 균일하지 않고 튜브 간의 연결성이 불규칙하기 때문에, 동일한 조건으로 제작된 탄소나노튜브 트랜지스터 간에도 성능 편차가 크고 재현성이 낮은 문제점을 가지고 있습니다. 또한, 이를 이용한 바이오센서 제작 시 세척 과정 중에서 필름이 탈착되어 소자 간의 민감도 차이가 크게 발생할 가능성도 있다고 합니다.

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이에 연구팀은 이러한 한계를 극복하여, 반응 시간을 조절하면서도 필름 내에 밀도를 쉽게 조절할 수 있으며, 짧은 반응 시간으로 고밀도의 탄소나노튜브 필름을 형성하는 기술을 개발하신 것입니다.

 

특히 2022년 노벨화학상 수상 내용이자, ‘아자이드(azide)*’ 분자와 ‘알카인(alkyne)**’ 분자가 핵심인 ‘클릭반응***’이라는 매우 간단한 화학반응을 이용하여 우수한 재현성을 갖는 탄소나노튜브 필름을 형성하였다는 것이 핵심인데요,

* 아자이드(azide) : 화학식에 N-3 (-N=N+=N-)를 가지는 물질

** 알카인(alkyne) : 삼중결합 형태의 불포화 탄화수소 물질

*** 클릭반응 : 두 개의 서로 다른 화학 작용기가 컴퓨터 마우스를 ‘클릭’하는 것처럼 짧은 시간에 결합을 형성하는 반응으로, 높은 열을 가하거나 복잡한 촉매의 도움 없이도 상온에서 쉽게 반응이 일어난다. 클릭반응을 개발한 연구자인 캐롤린 버토지( (Carolyn R. Bertozzi), 모르텐 멜달(Morten Meldal), 그리고 배리 샤플리스(K. Barry Sharpless)는 ’22년 노벨화학상을 수상함.

 

자세히 말씀드리자면, 탄소나노튜브 필림의 제조 연구 결과는 다음과 같습니다.

본 연구에서는 우선 ▲‘아자이드(azide)’가 도입된 고분자를 합성하여 반도체성 탄소나노튜브를 선택적으로 감아 분리하였습니다. 그리고 ▲‘아자이드’와 클릭반응 할 수 있는 ‘알카인(alkyne)’ 기반의 고분자를 합성하여, 이를 빛이나 열을 이용하여 유리 기판 등에 화학결합으로 고정화하였습니다. ▲이렇게 알카인이 고정화된 기판을 아자이드 고분자가 감겨있는 탄소나노튜브 용액에 넣고 클릭반응을 통해 탄소나노튜브 필름을 제조하신 것입니다.

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본 기술로 제작한 탄소나노튜브 필름 기반의 트랜지스터는 기존 방식 대비 성능이 20배 이상 향상되었으며, 소자 간의 성능 차가 크지 않아 매우 균일한 특성을 보인다는 장점이 있습니다.

 

제조된 필름은 저농도의 탄소나노튜브 용액을 사용해도 5분 이내의 짧은 시간으로도 고밀도의 탄소나노튜브 필름을 형성할 수 있으며, 제작된 탄소나노튜브 필름은 기판과의 강력한 화학결합을 형성하여 다양한 용매 세척에도 떨어지지 않는 안정성을 가진다는 장점도 가집니다.

다양한 장점을 가진 연구결과인데요 !!

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연구팀은 높은 신뢰성과 재현성의 전자소자 특성 구현 연구성과를 활용하여 수소센서 및 바이오센서 등 탄소나노튜브 전자소자 상용화를 위한 다양한 후속연구를 진행할 예정이라고 합니다.

 

본 연구에 대해 화학연 이미혜 원장님께서는 “이번 성과는 높은 재현성을 갖는 탄소나노튜브

기반 전자소자의 새로운 플랫폼을 제시한 연구결과로, 그동안 탄소나노튜브 전자소자의 낮은 재현성 문제로 상용화가 어려웠던 만큼, 후속연구를 통해 탄소나노튜브 기반의 다양한 전자소자 상용화에 한 발짝 다가설 수 있는 계기가 되기를 희망한다.”라고 말씀하셨습니다.

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* 이번 연구결과는 화학공학 분야 세계적 권위의 국제학술지인 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’ 온라인판 9월호에 게재되었습니다.

 

* 또한 이번 연구는 한국화학연구원 자체사업으로 수행되었습니다.

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(한국화학연구원의 보도자료 내용을 참고하였습니다.

더 자세한 내용은 아래 URL에서 확인하실 수 있습니다!)

 

https://www.krict.re.kr/bbs/BBSMSTR_000000000687/view.do

​https://www.krict.re.kr/thumbnail//viewer/1669824609078/index.html

 

* 화학공학 상위 3% 이내 저널 ‘Chemical Engineering Journal’ 2022년 9월 온라인판 게재

- 논문명(영) : Tailoring the density of carbon nanotube networks through chemical self-assembly by click reaction for reliable transistors

- 논문명(국) : 클릭 반응 기반 화학적 자기조 탄소나노튜브 네트워크의 밀도 조절 신뢰성 있는 트랜지스터 제조

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이상, 마지막 글을 마무리 하겠습니다~!!

감사합니다 !!

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저는 미래의 연구원을 꿈꾸는 사람으로서 케미러브 활동을 통해 여러 대단한 연구 성과를 공부하고, 찾아보고, 블로그 업로드를 하면서 많은 자극이 되고 발전하는 화학인이 될 수 있었던 것 같습니다, 저에게는 너무너무 의미있고 소중한 활동이었어요 ㅎㅎ

다만 아무래도 제가 연구원으로서의 꿈을 가지고 있다보니 케미러브로 활동하는 내내 화학연 연구성과를 주로 설명드린 것 같은데요 ,

더 다양하고 쉽고, 일상적인 내용과 융합된 화학 이야기를 기대하셨더라면 죄송하기도 하고, 아쉽기도 합니다 !

그래도 그동안 올린 여러 화학 이야기들을 통해 조금이라도 화학에 대해 관심을 가져주시고, 흥미를 느끼셨다면 제가 너무 감사드릴 일인 것 같아요 ! 화학을 사랑하는 사람으로서 영광스러운 일입니다!

비록 케미러브 활동은 이렇게 끝이 나지만, 앞으로도 저는 화학에 대한 재미난 이야기들을 많이 업로드 할 예정입니다~!

앞으로도 계속 관심 가져주시길 바랍니다 ,, ㅎㅎ

1년의 마지막 달이 시작되었는데요, 올 한해도 너무 수고하셨고 남은 1달도 잘 마무리하시길 바랍니다 ㅎㅎ!!

올해가 만족스럽지 않으셨더라도 내년도 있고 앞으로 많은 날들이 기다리고 있으니, 저는 그냥 수고하셨다고 말씀드리고 싶습니다~!!

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이상으로 마지막 글을 마치겠습니다 !! 그동안 너무너무 감사했습니다 ~!!

항상 행복하시고, 감기 조심하시고, 건강하시길 바랍니다 !

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앞으로 더 흥미로운 화학 이야기들 잔뜩 가져와서 찾아뵙겠습니다 ~!!

감사합니다 !!

 

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