서울대학교

High-frequency micromechanicl resonators form aluminium-carbon nanotube nanolaminates
- 탄소나노튜브와 알루미늄 금속박막으로 이루어진 나노박막으로 개발한 고주파 마이크로역학 공진기

연구 배경
일반적으로 고주파 공진기는 그 쓰임새가 다양하다. GPS내에서 시계로 사용되기도 하고, 자동차에서 가속장치의 미세한 변화를 감지할 수 있는 시스템으로서 에어백 장치를 작동시키는 역할을 하기도 하며, 미세한 바이러스를 감지할 수 있는 생물학적 센서로도 사용이 된다. 이러한 공진기는 아주 간단한 추에서부터 공진기-레이저 등에 걸쳐 아주 넓은 분야를 포괄하고 있으며, 뉴튼 시대부터 현재에 이르기까지 오랜기간 연구되어 왔다.
탄소나노튜브는 그 기계적(mechanical) 특성이 뛰어나기로 잘 알려진 물질이기 때문에 공진기로 사용되기에 적합할 뿐만 아니라 반도체 물질로서도 완벽한 물질이지만 다루기 어렵다는 문제로 상업적 응용이 어려웠다.
금속 박막이 가진 높은 전기전도도와 높은 반사율 특성은 고주파 기계적 공진기로 사용되기에 매우 적합하다. 하지만 기계적 공진기의 동작 가능한 진동수는 그 물질의 영향을 받는데 일반적으로 금속은 실리콘, 실리콘 카바이드(SiC), 질화 알루미늄(AlN), 다이아몬드, 탄소나노튜브등과 비교할 때 부적절한 단점을 가지고 있다.
여기에서 본 연구팀은 처음으로 탄소나노튜브와 금속박막이 가진 장점만을 선택하여 마이크로 역학 공진기를 만들어냈다.

연구 현황
본 연구팀은 GaAs 기판위에 잘 흩뜨려진 탄소나노튜브 네트워크(network)를 형성시킨 뒤, 그 위에 알루미늄 박막을 10nm 두께로 얇게 얹어 나노박막을 만들었다. 이 나노박막을, 기존의 반도체 공정을 통해 마이크로 역학 공진기에 적절한 모양대로, 측정하기 위한 부분을 제외하고 공진기 자체는 기판에서 떠 있으며 두 개가 양쪽으로 걸쳐진 형태로 이루어진 공진기를 만들었다. 이렇게 만들어진 공진기가 지닌 특성을 파악하기 위해, 레이저 진동계 (laser vibrometer)를 이용하여 역학적 휨 강도를 측정하였고, 그 결과 이 공진기는 높은 주파수를 가지고 있음을 알 수 있었다. 이러한 높은 주파수는 탄소나노튜브를 결합시켜 마이크로 역학 공진기의 탄성적 특성을 증가시킴으로써 얻어낸 연구 성과이다.
이러한 특성은 결과적으로 이 공진기가 역학적 비선형적 특성은 감소되었으며, 그 힘은 강화시켜짐으로써 나노 혹은 마이크로 시스템에서 여러 응용이 가능하도록 했다. 또한 이는 강도와 탄성력이 높은 특성을 지닌다는 면에서 생물학적 나노구성성분들과도 매우 비슷한 특성을 보였다.

연구 성과 및 향후 계획
본 연구팀은 탄소나노튜브와 금속 박막을 결합시킨 나노박막으로부터 고주파 마이크로 역학 진동기를 만들어냈다. 이는 탄성이 높은 탄소나토튜브의 특성과 높은 전기전도도와 반사율을 가진 금속 박막의 특성을 결합시킨 것으로 이러한 기술은 본 연구팀에서 처음으로 시도된 기술이다. 아주 작은 크기를 지닌 탄소나노튜브의 특징 때문에 다루기가 어려웠다는 단점과 주파수가 그 물질에 의해 결정되기 때문에 높은 주파수를 가질 수 없었던 금속 박막의 단점을 두 물질을 결합함으로써 해결했다는 점에서 놀랄만한 성과를 가진다.
이렇게 만들어진 고주파 마이크로 역학 공명기는 탄성력이 좋으면서도, 그 강도가 높으며 높은 전기전도도와 반사율을 가진다. 이는 기존의 실리콘 반도체 공정과 비교해 보더라도 더 쉬운 공정으로 제작할 수 있다는 장점이 있다.

내용 및 의의
○ 서울대 박윤 교수는 탄소나노튜브와 금속박막을 접목시킨 나노래미네이트 (Nanolaminate)를 이용하여 고주파 마이크로역학 공진기를 서울대 김미영 교수, 차국린 교수, 홍승훈 교수 등과 공동 연구하여 개발함
○ 탄소나노튜브는 공진기로 사용되기에 적합할 뿐만 아니라 반도체 물질로서도 완벽한 물질이지만 그 크기가 매우 작아 개별적으로 다루기 어렵기 때문에 응용이 어려움
○ 본 연구팀은 이를 금속 박막과 접목시켜 나노래미네이트를 만든 뒤, 이를 이용하여 탄성률이 높은 탄소나노튜브의 장점과 높은 전기전도도와 반사율을 가진 금속박막의 장점을 결합한 고주파 마이크로역학 공진기를 세계 최초로 개발함
○ 또한 이 공진기는 다른 어려운 공정 과정을 거쳐서 만들어진 것이 아니라, 기존의 반도체 공정을 이용하여 개발된 것이므로, 상업적 응용 면에서도 큰 영향을 미칠 것으로 예상됨
○ 본 연구의 결과는 과학 분야의 권위있는 학술지인 Nature Materials에 2008년 4월 21일 게재

연구자
박 윤 교수 외
소 속 : 자연과학대학대학 물리천문학부(BK21 프런티어물리 인력양성사업단)
연락처: parkyd@phya.snu.ac.kr, 02-880-1361