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HP : 011)9491-7906

Tel :   02)908-0540

  담당자 : 강완신

 

 21세기의 꿈. Nano Technology
(총 2 페이지)

글쓴이 : Andy

나노 기술에 대해 일반인들에게 말할때 가장 쉬운 소개방법은 미국의 나노기술연구소의 대가 제임스 엘렌보겐 박사의 주장을 인용하는 것이다.
"2020년경 PC를 사려면 인터넷을 통해 조립법만 산 뒤 이른바 나노박스에 조립법 정보를 넣으면 잠시후 진짜 컴퓨터가 튀어나올 것이다."

또 한가지의 예는 아주 작은 크기로 축소된 잠수정이 인간의 몸 속에 들어가 병원균과 사투를 벌이는 내용을 다룬 ‘마이크로 결사대’로 ‘작은 것이 아름답다’는 것을 보여준 공상과학영화를 들 수 있다.이 영화는 뇌장애로 생사를 헤매는 환자를 세균 크기의 초미니 잠수정으로 치료하는 이야기다.잠수정은 혈관을 타고 뇌속으로 들어가서 레이저로 환부를 치료하고 환자의 눈물을 통해 밖으로 나온다.

이 허황스러운 이야기는 사실일 수 있다. 그뿐인가. 사람의 몸속에 들어가 바이러스 병균을 잡아먹는 초미니 의료로봇, 먼지 한톨보다 더 작은 첩보로봇, 머리핀 끝보다 작은 크기에 백과사전을 저장하는 초미니반도체 등 공상과학영화에서나 나올 만한 이 모든 것이 나노테크놀로지가 구현할 꿈의 세상이다.

나노(n)는 10억분의 1을 나타내는 단위로 고대 그리스에서 난쟁이를 뜻하는 나노스(nanos)란 말에서 유래됐다. 1nm(나노미터)는 10억분의 1m로 원자 3,4개를 이어놓은 정도다. 야구공을 지구 크기로 확대하는 비율로 원자를 확대하면 포도송이만해지니까 그 길이를 짐작할 수 있을 것이다.


교차된 탄소나노튜브의 AFM 이미지(초록색Line) (노란물질은 전극)



나노기술은 원자 하나하나를 기계적으로 빠르게 결합시키는 '벽돌쌓기'라고 보면 된다. 즉 이미 존재하는 재료를 깎고 붙이는 것이 아니라 원자나 분자를 벽돌을 쌓듯이 조합해서 완전히 새로운 물질을 만들어내는 것이다. 따라서 실크처럼 부드러운 것에서부터 고무처럼 질긴 것에 이르기까지 다양한 성질들을 가진 첨단신소재를 만들어내는 것이 가능해진다.
예를 들면 나무를 태우고 남는 숯과 연필심으로 쓰이는 흑연,다이아몬드의 구성원자는 모두 탄소(C)이다.단지 생성여건이 달라 탄소원자들이 다른 구조로 결합돼 있을 뿐이다.그러나 나노기술이 실현되면 숯이나 흑연을 구성하고 있는 탄소원자를 하나씩 집어내 다이마몬드 구조로 배열,결합시켜 다이아몬드를 만드는 일이 가능해진다.이 때문에 나노테크놀로지는 ‘21세기의 연금술’로 불리기도 한다.


임의 조합된 Nano Wire 개념도



나노미터 단위길이로 쓰여진 문자

 

2. 나노기술의 동향

글쓴이 : Andy

나노기술이란 이와 같이 원자 분자를 직접 눈으로 관찰하면서 필요한 것을 만들어내는 기술로써 나노기억매체,고체표면구조,분자생물학적 관찰 및 조작 등이 응용의 대표적 예이다.

현재 컴퓨터의 하드디스크나 플로피디스크 등의 기억매체를 고밀도화하는데는 한계가 있다.현재 상업적으로 이용되고 있는 집적회로의 최고 밀도는 제곱인치당 1기가비트(Gb)며 실험실에서는 10Gb까지 개발된 상태.1백Gb 이상은 초상자성 한계(Superparamagnetic limit)로 인해 더이상 기억밀도를 높이기는 불가능한 것으로 돼있다.그러나 원자 한 개를 기억매체로 사용할 경우 최고 1천Gb까지 기억밀도를 높일 수 있다는 것이 바로 나노테크놀로지다.

그러나 현재 나노기술의 개발수준은 100만분의 1을 뜻하는 마이크로의 세계에서 나노의 세계로 첫발을 디뎠을 정도. 나노기술을 선도적으로 수행하고 있는 곳은 위스콘신 대학과 MIT 그리고 IBM의 알마덴 연구소 등이다. 본격적인 나노기술의 시대로 진입하기 전에 넘어서야할 장벽인 마이크로 머신을 만드는 연구(MENS)나 초고집적회로(VLSI) 등의 연구조차 국내에서는 포항공대 등 극소수의 연구집단에 의해서만 이뤄지고 있는 실정이다.

최근 들어 국외 연구진이 나노기술을 한차원 끌어올릴 연구성과들을 속속 발표하면서 전세계의 주목을 받고 있다. 네이처 2월3일자 커버스토리는 IBM의 세 과학자가 기존의 전선에 의하지 않고 전자파 특성을 이용하면서 원자 규모로 정보를 전송하는 방법을 개발했다고 소개했다. 이 새로운 현상은 '양자신기루' 현상이라는 것으로 전선을 쓰기에는 너무도 작은 나노 규모의 전자회로를 사용하여 데이터를 전달시킬 수 있을 것으로 기대된다.

또 올들어 영국 옥스퍼드대의 존 페티카 교수는 상온에서 고도로 매끄럽게 처리된 구리의 표면 위에서 브롬 원자를, 마치 당구를 치듯이 이리저리 움직이는 데 성공했다고 밝혔다. 그는 "이번의 연구성과는 원자 크기의 구조와 미래의 양자장치들에 관한 기초적인 물리학적 프로세스를 이해하는 데 중요한 것"이라며 "초고밀도의 데이터 저장장치가 가능해지며 장기적으로는 DNA를 자유자재로 편집할 수 있는 시대가 올 수 있다"고 전망했다.

국내에서는 과학기술부 산하 창의적연구진흥사업단의 하나로 나노기억매체연구단이 97년 말부터 9개년 계획으로 연구를 수행중이다.서울대 물리학과 국양 교수를 단장으로 서울대팀과 삼성종합기술원 박유근 박사팀,그리고 벤처기업 PSIA사가 연구주체다.나노미터 규모의 단위기억 영역을 갖는 초고밀도 기억매체를 개발하는 것이 목표다.

서울대팀은 원자제어와 전하트랩 및 기억매체로 이용할 수 있는 나노자성체를 개발하고,삼성종합기술원은 MEMS(Microelectromechanical System:미세전자기계시스템) 기술을 이용,기억소자와 센서를 위한 소형 구동기를 개발하며,PSIA사는 나노센서를 개발하는데 주력하고 있다.서울대팀은 자성기억매체 이외에 상온에서 원자나 분자를 조작,두 가지의 평형상태를 유지할 경우 이진법의 기억매체로 사용할 수 있을 것으로 보고 있다.또 MEMS기술은 나노기술로 가기 위한 필수적인 중간과정이며 이 두 가지 기술은 전자제품의 경박단소화를 위한 필수적 기술로 불린다.



그렇다면 나노기술 연구자들은 어떻게 직접 원자분자를 볼 수 있을까.이것을 가능케 한 것은 원자현미경 SPM(Scanning Probe Microscope)의 발명이다.PSIA사의 박상일 사장은 미국에서 벤처기업을 경영하다 귀국해 SPM 현미경을 제작판매하는 동시에 원자현미경의 고속화에 심혈을 기울이고 있다.1분 내지 수 분이 걸리는 탐침의 응답속도를 1백배 이상 빠르게 해 1초 안에 읽고 쓰고 이미지 저장까지 할 수 있도록 기능을 향상시키는 것이 박사장의 목표.박사장은 앞으로 거의 모든 과학분야에 SPM은 필수적일 것이며 미래에는 나노기술을 이용,현미경을 보면서 직접 원자 분자를 조합하거나 단백질 등을 합성할 수 있을 것으로 전망했다.


원자현미경으로 본 나노의 모습



광학현미경으로도 볼 수 없는 미시의 세계를 인간 뜻대로 조작하는 나노테크놀로지가 21세기에는 과학과 산업은 물론 인류 생활전체에 엄청난 변화를 몰고올 것이라는 게 과학계의 일치된 전망이다.현재 미국의 NanoLab Inc(www.nano-lab.com)이란 회사는 직접 온라인상에서 나노튜브를 판매하고 있기까지 하니 이미 현실세계에 뿌리내리고 있는 마이크로머신이나 아직 공상의 세계에 머물고 있는 나노기술은 인류에게 제2,제3의 르네상스를 열어줄 것으로 기대되고 있다.

<용어설명>
◇초상자성 한계(Superparamagnetic limit): 기억매체의 N극과 S극 사이에 존재하는 에너지 벽의 크기와 상온의 열에너지가 같아 기억된 정보가 지워지는 현상.
◇MEMS(Microelectromechanical System·미세전자기계 시스템): 실리콘,세라믹 등의 기판에 사진묘화(Photolithograpy) 기법을 이용,깎거나 증착시켜 초고밀도 IC 외에 센서와 구동기 등의 초미세 기계구조물을 만드는 기술.
[Reference]
- 전자신문, 국민일보 관련기사
- 군산대,전북대 나노튜브 연구소
- 삼성종합기술원 나노연구실
- 나노튜브합성회사 NanoLab Inc.(http://www.nano-lab.com/)
- 나노기술개발의 최근동향 (박종구, 이경재)
- S. Iijima and T. Ichihashi, Nature, 363, 603 (1993)

 

 

 

탄소 나노튜브 기술과 디스플레이 응용
(총 5 페이지)

글쓴이 : Andy

탄소 원자만으로 이루어진 탄소나노튜브는 21세기의 나노테크놀로지를 선도하는 가장 중요한 재료라고 할 수 있다. 탄소나노튜브의 우수한 물성과 다양한 응용가능성으로 인하여 탄소나노 튜브는 차세대 전자정보산업분야에서 폭넓게 이용될 것으로 기대되고 있다. 따라서 미국을 위시하여 일본, 독일, 프랑스, 영국 등에서 21세기 첨단전자정보산업분야의 경쟁력확보와 고기능성 복합소재의 경쟁력 확보차원에서 국가적인 지원아래 탄소나노튜브의 합성 및 응용에 대한 연구가 추진되고 있으며, 특히 에미터 및 디스플레이 응용, 2차전지 및 연료전지, 나노 부품 및 시스템, 고기능 복합체 등에 관한 응용연구는 앞으로 더욱 활발하게 진행될 예정이다.
한국이 이 분야의 선두그룹에 동참하기 위해서는 반드시 나노튜브의 합성기술 확보가 절실한 실정이다. 그러나, 선진국들은 이미 대량합성 기술을 확보하고 특허로 이를 보호하고 있으므로 선진 연구의 단순 모방이나 변형만으로는 부족하며,우리만의 독특한 원천합성기술개발이 요구되고 있다.
이번 컬럼에서는 탄소나노튜브의 합성기술과 특허에 대해 알아보고 탄소나노튜브를 응용한 디스플레이 기술에 대해 소개하고자 한다.


(Top)Jean-Marc Bonard가 찍은 Multiwall Carbon Nanotube
(Middle)수직으로 정렬된 Nanobrush
(Bottom)Schlapbach연구그룹이 성장시킨 다른형태의 Nonotube

2. 탄소나노튜브 소개

글쓴이 : Andy

1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체(allotrope)의 하나인 Fullerene(탄소 원자 60개가 모인 것: C60)을 처음으로 발견한 이후, 1991년 이 새로운 물질을 연구하던 일본전기회사(NEC) 부설 연구소의 Iijima 박사가 전기방전법을 사용하여 흑연 음극상에 형성시킨 탄소덩어리를 TEM으로 분석하는 과정에서 가늘고 긴 대롱 모양의 탄소나노튜브를 발견하여 Nature에 처음으로 발표하였다. 이때 성장된 탄소나노튜브의 길이는 수십 nm-수 m이고, 외경은 2.5-30 nm 이었다. 탄소나노튜브에서 하나의 탄소원자는 3개의 다른 탄소원자와 sp2 결합의 육각형 벌집무늬를 이루며, 이 튜브의 직경이 대략 수 nm 정도로 극히 작기 때문에 나노튜브라고 부르게 되었다.

1992년 Ebbesen, Ajayan 등은 전기방전법을 사용하여 탄소나노튜브를 합성할 때, 챔버내의 헬륨압력을 높일 경우 흑연 음극상에서 탄소나노튜브 의 합성수율이 크게 증가한다는 사실을 발표하였다.

1993년에는 IBM의 Bethune 등과 NEC의 Iijima 등이 전기방전법을 사용하여 직경이 1 nm 수준인 단중벽 나노튜브(single walled nanotube; SWNT) 합성을 각각 발표하였다.

이어서 1996년 Smalley 등은 레이저증착법(laser vaporization)으로 직경이 균일한 SWNT를 고수율로 성장시키는 방법을 발표하였고, 이 경우 성장된 SWNT는 bundle 형태로 존재하여 이 형태를 다발형 나노튜브(rope nanotube)로 명명하였다. 1998년에 Ren 등이 플라즈마화학기상증착법을 사용하여 글라스기판위에 수직배향된 고순도의 탄소나노튜브를 합성시킴으로써, 탄소나노튜브의 합성과 응용기술면에서 획기적인 진전을 가져오게 되었다. 그 이후로 탄소나노튜브 합성 및 응용에 관한 연구가 국내외적으로 많은 연구자에 의해 활발히 수행되고 있다.

탄소나노튜브는 그라파이트 면(graphite sheet)이 나노크기의 직경으로 둥글게 말린 형태이며 이때 그라파이트 면이 말리는 각도 및 구조에 따라서 전기적 특성이 도체 또는 반도체 등이 된다. 또한 말린 형태에 따라서 단중벽 나노튜브(single-walled nanotube, SWNT), 다중벽 나노튜브(multiwalled nanotube, MWNT), 다발형 나노튜브(roped nanotube)로 구분한다.

특히 탄소나노튜브는 역학적으로 견고하고 (강철의 100배) 화학적 안정성이 뛰어나며 열전도도가 높고 속이 비어 있다는 특성 때문에 다양한 분야에 응용될 수 있을 뿐만 아니라 기능 또한 뛰어나다. 그래서 각종 장치의 전자방출원, VFD(vacuum fluorescent display), 백색광원, FED(field emission display), 리튬이온 2차전지전극, 수소저장 연료 전지, 나노 와이어, AFM/STM tip, 단전자 소자, 가스센서, 의공학용 미세부품, 고기능 복합체 등에서 많은 응용 가능성을 보여주고 있다.


3. 탄소 나노튜브 합성 기술

글쓴이 : Andy

탄소나노튜브 응용을 위해 가장 먼저 선행되어야 할 기술은 대량합성이다. 신소재 응용기술개발을 위해서 시료를 원활하게 공급할 수 있도록 국내기업이 빠른시간내에 대량생산에 성공하여야 하며, 따라서 현재 1g당 $100∼$1,000(고순도)이상의 비싼 가격을 수$로 낮출 수 있도록 경쟁력을 키워야 할 것이다. 나아가 특허를 통한 원천기술의 확보와 생산기술의 노하우를 지속적으로 축적하여 고품질의 제품을 제조하여야 하며, 복합적인 응용분야에 대한 대응도 동시다발적으로 이루어 진다면 Nanocomposite등과 같은 타분야에 미치는 파급효과가 아주 크다고 할 수 있을 것이다.

탄소 나노튜브를 합성하는 방법은 크게 2세대로 구분된다. 1세대의 방법으로는 최초로 나노튜브를 합성하는데 사용되었던 전기방전법이 주류를 이루었으나, 이후로 레이저증착법(laser vaporization), 열분해법(pyrolysis)이 제시되었다. 이들 방법은 탄소나노튜브를 합성한 후, 고순도를 얻기 위해서는 복잡한 정제과정을 거쳐야 하며, 또한 구조제어 및 수직배향 합성이 어려운 단점을 갖고 있다. 이러한 상황에서도 1996년에는 미국의 Smalley 그룹에서는 레이저증착법에 의해
소량의 전이금속이 포함된 graphite powder를 태워 고순도의 탄소나노튜브를 합성했다. 이 방법으로는 하루 수g을 얻을 수 있고 현재 시판중에 있다.

이에 반하여, 2세대의 합성법들은 나노튜브의 대량생산을 목적으로 하며, 이러한 예로는 미국의 Oakridge National Laboratory에서 개발한 기상합성법, G. B. Tech/Rockheed Marteen의 HIPCO 기상합성법이 있으며, 최근에는 탄소나노튜브를 수직배향으로 합성할 수 있는 CVD법(화학기상증착법, chemical vapor deposition)도 크게 부각되고 있다. 현재 Hot filament 플라즈마(plasma enhanced) CVD법, RF 플라즈마 CVD법, 마이크로파 플라즈마(microwave plasma enhanced) CVD법, 열(thermal) CVD법 등이 활발하게 연구되고 있는데, 이 방법은 기존의 전기방전법이나 레이저증착법과 다르게 탄소나노튜브의 수직배향합성 가능할뿐만 아니라 저온합성, 고순도 합성, 대면적 기판합성이 가능하며 나아가서는 탄소 나노튜브의 구조제어가 용이한 장점을 가지고 있다.


Field-Emission from an Atomic Wire


특히 FED소자에 응용하기 위해서 탄소나노튜브 수직성장이 반드시 요구되고 있는데, 1998년말 Hot-Filament PECVD에 의해 미국 New York 대학에서 강화유리기판 위에 처음으로 성공하였다. 그 후에 Stanford 대학 Dai그룹에서는 thermal CVD를 써서 porous Si위에 Fe처리한 후 수직으로
탄소나노튜브를 배향시켰다. 국내에서도 군산대, 서울대에서는 thermal CVD, 성균관대에서는 HF-PECVD, 전북대 연구실에서는 microwave PECVD를 써서 현재 탄소나노튜브를 저온에서 수직성장시키고 있으며 탄소나노튜브 직경, 길이, 밀도, 성장률, tube wall수 등을 조절하는데 성공하였다.
한편 외국에서는 탄소나노튜브의 대량합성법 중 기상합성법을 이용하여 인도과학원의 C.N.R. Rao, 미국 켄터키대학의 A.M. Rao, 미국 라이스대학의 Smalley 그룹에서는 여러가지 결과를 발표하고 있다. 특히 Oakridge의 기상합성법은 따로 금속촉매를 사용하지 않으며, 수율이 거의 100%이고, 상압에서 진행되므로 multiwall 나노튜브의 대량생산에 적합하며, HIPCO 기상합성법은 singlewall 나노튜브를 99%의 순도로 연속적으로 합성할 수 있다. 이미 미국의 Hyperion Catalyst 사에서는 수년전부터 multiwall 나노튜브를 하루에 300 kg씩 생산하고 있으며, 일본에서도 shinshu대학의 Endo교수를 중심으로 기상합성법의 pilot테스트가 완료되었으며, 조만간 상업적 대량생산이 이루어 질 것이다.
또한 최근에 일본 Meijo대학의 Ando그룹에서 Arc plasma jet법을 이용한 대량합성방법과 미국 Berkeley 대학의 Zettl그룹에서 액체질소 용액내에서 Arc-discharge 법을 이용한 대량합성법을 발표하고 있는 실정이다.

 

4. 탄소 나노튜브의 특허현황

글쓴이 : Andy

나노튜브는 21세기의 나노테크놀로지를 선도하는 가장 중요한 재료이므로, 한국이 이 분야의 선두그룹에 동참하기 위해서는 반드시 나노튜브의 합성기술을 확보하여야 한다. 그러나, 선진국들은 이미 대량합성 기술을 확보하고 특허로 이를 보호하고 있으므로, 선진 연구의 단순모방이나 변형만으로는 부족하며, 우리만의 원천합성기술을 개발하여야 할 것이다.

이에 대해서 국내의 기술동향을 살펴보면, 1997년에 특허출원건수는 전무한 상태이고 1998년부터 증가하기 시작하여 내국인 4건, 외국인 13건으로 총17건이며, 1999년도에는 급격히 증가하여 군산대 연구팀의 탄소나노튜브의 대량합성을 위한 화학기상 증착장치 등을 위시하여 내국인 50건, 외국인 15건으로 총65건이 출원되어서 국내의 연구개발도 활발히 진행됨을 알 수 있다. 그리고 2000년 3월기준으로 현재 총16건이 출원된 상태이며 올해말까지 70여건이상 출원되리라고 예상되고 있다.

올해초 특허청에서 나노테크분야의 산학연 관계자들 중심으로 이루어진 인터넷 커뮤니티 나노복합재료 신기술연구회 는 이미 회원이 90명에 달하고 있으며 서로간에 특허정보 및 산업분야에 대한 토론의 장으로 활용되고 있다.

한편 산업계에서는 (주)일진나노텍이 10개 학연기관들과 공동으로 합성분야 및 응용분야에 이르기까지 빠르게 진행하고 있으며 현재 특허는 약55편 국내 출원되어 있고 해외출원은 미국, 일본, 유럽, 중국등에 약25편 출원한 상태이다. 최근에는 나노튜브의 양산기술을 확보하여 오는 9월경에는 일부제품 시험가동에 들어갈 예정이고 2002년에는 세계시장을 목표로 양질의 대량생산계획을 하고 있다. 응용분야로는 우선적으로 수소저장, 복합재료, 전지분야를 1차목표로 삼고 외국관련기관과 공동연구 중에 있으며, 차후에는 디스플레이분야에 참여할 예정이다.

국내의 에미터(emitter) 응용기술 개발은 지금까지 주로 FED 응용에 관심이 집중되어 있었다. 최근에 보고된 9인치 크기의 스크린 프린팅법에 의한 초기수준의 FED 개발은 외국에 비해 손색이 없는 수준이지만 전반적인 에미터 응용을 비롯한 각종 응용연구 수준은 아직도 선진국에 비해 크게 뒤진 상태이다. 특히 FED 제작에 실제로 사용된 탄소나노튜브는 외국에서 합성한 것을 구입하여 사용한 것이어서 국내에서 경쟁력있는 제품생산이 필수적으로 요구되고 있다.

핵심 기술 내용

국외수준
(100%기준)

국내수준
(외국대비%)

비고

탄소나노튜브
기초물성연구

전기적특성 및
각종 물성의
이론적규명(100)

전기적특성 및
각종 물성의
이론적규명(80)

열세

Single-Walled
탄소나노튜브합성

전기방전법(100)
레이저증착법(100)

전기방전법(70)
레이저증착법(40)

열세

탄소나노튜브
저온 수직배향

플라즈마CVD법(100)

플라즈마CVD
(80)

열세

고순도 탄소나노튜브
대면적 합성

CVD법(100)

CVD법(105)

우위

탄소나노튜브
고온 수직배향 합성

CVD법(100)

CVD법(100)

동등

탄소나노튜브
대량합성기술

전기방전법(100)
레이저증착법(100)
CVD법(100)
기상합성법(100)

전기방전법(50)
레이저증착법(40)
CVD법(100)
기상합성법(70)

열세

탄소나노튜브의 구조제어 및
팁 형태조절 기술

구조제어(100)
팁 형태조절(100)

구조제어(90)
팁 형태조절(90)

열세

탄소나노튜브
전계전자 방출 특성

mA/㎠(100)

mA/㎠(100)

동등

탄소나노튜브
에미터 응용기술

백색광원,
휴대용Lamp,
LCD Backlight,
CRT에미터(100)

백색광원,
CRT에미터(50)

열세

탄소나노튜브
FED응용기술

ScreenPrinting(100)

ScreenPrinting(105)

우위


국내의 탄소나노튜브의 대량합성과 응용기술을 선진국과 비교한 표에서 보면, 우위에 있다고 판단되는 기술은 열CVD법에 의한 고순도 탄소나노튜브 대면적 합성과 FED응용기술뿐이고 대부분이 열세에 있다고 본다. 그러나 대량생산방법에서는 기상합성법과 CVD법이 우선되고 있는 실정이므로 이 분야에 대한 원천기술을 조기에 확보하고 신속한 사업추진을 한다면 2년내에 시장에서 경쟁력이 생길 수 있다고 판단되어진다.

5. 탄소 나노튜브를 이용한 디스플레이 개발동향

글쓴이 : Andy


Field Emission Display 제품사진



앞에서 언급한 탄소나노튜브 대량합성기술은 각종 전자방출원의 제작과 직결되어 있고 삼성종합기술원, 삼성SDI, LG 전자, 오리온전기 등의 디스플레이 전문업체가 이러한 응용에 커다란 관심을 가지고 있다. 현재 디스플레이시장에서 FED가 차지하는 규모는 2005년에는 10억불로 예상하고 있으나, 탄소나노튜브를 이용하여 대형 FED가 가능하면 노트북 PC등 소형 이동용 전자시스템에 탑재가 가능하여 디스플레이 시장규모가 2005년 400억불 정도로(SRI data) 확대될 것으로 예상된다. 이외에도 광기능성 소자 부품소재, 고성능, 저가격의 평판디스플레이, 캠코더용 view finder, 항공기 및 자동차의 계기판, 각종 휴대용 정보통신기기, CRT, 컴퓨터 모니터 등에서 응용이 기대되고 있다.

액정디스플레이(LCD)은 다양하게 이용되고 있다. 손목시계, 노트북컴퓨터, 계산기 등이 가까운 주변에 있는 액정을 사용하는 전자제품들이다. 그러나 액정디스플레이는 지금까지 고품위 이미지 구현에 있어서 큼직한 덩치의 음극선관(CRT)에 견줄 수 없었다. 그런데 이제 한국 삼성의 연구진들이 전자를 방출하는 소스로서 탄소나노튜브를 사용하여 CRT의 고해상도 품질과 평판 디스플레이의 편리성을 동시에 구현하였다. 지난 11월 15일자 학술지 Applied Physics Letters에 발표된 논문에서 이들은 치열한 개발경쟁이 되고 있는 이 나노튜브 디스플레이 기술에서 선두를 달리고 있음을 보여주고 있다.

CRT는 급속하게 변화하고 있는 전자기술 세계에서 밝기, 해상도, 그리고 움직이는 영상을 보여주는 능력이 뛰어나 오랫동안 살아남은 공룡과도 같다고 할 수 있다.
그러나 CRT와 마찬가지로 유리 스크린 상의 칼라 인광체(phosphor)를 켜지게 하는데 전자(electron)를 사용하는 전계방출(field emission)이란 기술에 의해 CRT도 이제 곧 지구상에서 소멸되게 될 것 같다. 무겁고 큰 덩치의 원뿔 모양의 튜브 끝에 위치된 한 개의 전자총을 사용하는 대신 전계방출 디스플레이(FED)는 하나의 평판에 배열된 수많은 뾰족하고 작은 전자 방출체 들의 배열을 사용한다. 걸어준 전기장에 의해 각 방출제 들로부터 전자빔이 방출된다. 따라서 FED는 LCD와 마찬가지로 얇게 만들어질 수 있으면서도 전력 소비는 더 적을 뿐만 아니라 이미지 품질 또한 CRT에 필적한다. 지금까지의 기술적 문제는 강한 전자빔에 견디면서도 뾰족한 모양으로 쉽게 만들어질 수 있는 물질을 찾는 것이었다.

연구자들이 제어하면서 제조할 수 있고 정확한 패턴으로 배열시킬 수 만 있다면, 전자를 아주 잘 통하는 탄소나노 튜브가 바로 이러한 목적에 정확히 부합되는 것이다. 바로 삼성 연구 그룹이 이러한 일을 해낸 것이다. 한국 수원 소재 삼성종합기술원(Samsung Advanced Institute of Technology)의 최원봉 박사와 그의 동료 연구원들은 전자방출체로 탄소나노튜브를 사용하여 모든 색상의 칼라디스플레이를 제작한 것이다. 이에 대해 역시 탄소나노튜브 전계방출 디스플레이 연구를 하고 있는 일본 MieUniversity의 전기 및 전자공학과의 부교수 야하치 사이또 박사는 "아주 의미있는 기술적 진전"이라고 논평하고 있다.


FED의 개념도



축국공 모양의 풀러렌이라 불리는 C-60 분자의 유도체들이라 할 수 있는 탄소나노튜브들은 헬륨(He) 기체로 채워진 진공체임버내에서 두 개의 탄소 전극들 사이에 일어나는 아크방전에 의해 만들어진다. 삼성 연구팀은 단일벽 탄소나노튜브들을 섞어 뭉쳐서 니트로셀룰로스 접합체(binder)와 함께 반죽을 만든 다음 유리판 위에 놓인 일련의 금속 띠(metal strip)들에 20 마이크로미터 크기의 구멍으로 된 체(mesh)를 통하여 짜서 붙였다. 탄소나노튜브들이 체를 통해 빠져 나오면 수직으로 세워진 모양으로 있게 된다. 그리고 난 후 가열해 의해 니트로셀룰로스 바인더를 태워 날려 버리고 반죽 속의 금속입자들을 녹게 하였다. 가열 후 다시 고체화되는 금속에 의해 나노튜브들은 금속 기판에 고정되었다. 탄소 나노튜브들을 기판에 수직으로 위치시키고 균일하게 펼쳐지게 하는 것이 최종적인 디스플레이 패널의 균일한 밝기를 구현하기 위해 대단히 중요하다고 Choi 박사는 말한다.

탄소나노튜브들이 삐죽 삐죽 나와 있는 금속 띠들은 완제품 디스플레이의 후면역할을 하는 한 장의 유리판의 첨단에서부터 바닥까지 이르는 음극 역할을 한다. 디스플레이의 앞면은 적, 녹, 청색의 인광물질과 양쪽 측면 사이를 잇는 투명한 인듐주석산화물(ITO) 양극 띠를 포함하는 유리판이다. 이 유리판들은 이격체들에 의해 분리되어 있게 된다. 일단 조립이 완료되면 가장자리 부분을 밀봉하여 공기를 뽑아낸다. 수직 음극과 수평 양극이 서로 마주치는 접합부가 하나의 픽셀(칼라발현 단위)가 된다. 각 픽셀은 그 음극과 양극에 전압을 걸어 주는 방식으로 켜지거나 꺼지게 되는 것이다. CRT와 마찬가지로 하나의 이미지는 각 픽셀의 밝기와 색상에 의해 형성된다. 이에 대해 1991년 처음으로 탄소나노튜브를 발견한 일본 쭈꾸바 소재 NEC사의 기초연구소(Fundamental Research Laboratories)의 전자현미경 전문가 Sumio Iijima 박사는 "대단히 우수한 디스플레이"라고 평했다. 삼성의 이 4.5인치(11.4cm) 디스플레이는 향후 노트북 컴퓨터와 벽걸이 TV용으로 이용될, 에너지 효율이 높고 성능이 뛰어난 차세대 평판디스플레이의 출현을 예고하는 시제품으로 받아들여지고 있다. 이 새로운 디스플레이가 제품으로 생산되기까지는 약 3년이 걸릴 것으로 추정된다고 한다.

하지만 몇몇 FED 제품들은 현재 활용 가능한 상태이며, 개발자들은 이 기술을 계속해서 발전시키고 있다. 이 기술분야에서 일하는 회사로 Candescent Technologies와 PixTech 등이 유명하다. 한편 지속적으로 개선되고 있고, 가격이 계속 떨어지고 있는 액정디스플레이를 고려할 때 엄청난 투자를 요하는 나노튜브 디스플레이의 상품화는 아직도 극복해야 할 과제들이 남아있다.


PixTech사의 FED제품 Diagram



참고로 FED를 다른 Display제품들과 함께 가격과 전력소비,해상도 등의 항목에 기준하여 비교하고자 한다. FED의 특성을 한눈에 알아볼 수 있다고 생각한다.

<디스플레이 기기별 항목비교>

 

항목

FED

LCD

CRT

EL

Low Cost

 

 

Wide Viewing Angle

 

Rugged

 

 

Sharpness

 

 

Low Power

 

 

High Resolution

 

Thin

 

Lightweight

 



[Reference]
- National Nanotechnology Initiative Report Feb 2000
- Nanostructure Science and Technology Report by R.W.Siegel
- 전자신문, 국민일보 관련기사
- 군산대,전북대 나노튜브 연구소
- 삼성종합기술원 나노연구실
- OSTP Committee on Technology
- 나노튜브합성회사 NanoLab Inc.(http://www.nano-lab.com/)
- 나노기술개발의 최근동향 (박종구, 이경재)
- 특허청 무기화학심사실
- S. Iijima, Nature, 354, 56 (1991)
- T.W. Ebbesen and P.M. Ajayan, Nature, 358, 220 (1992)
- S. Iijima and T. Ichihashi, Nature, 363, 603 (1993)
- S. Sanvito, Y.K.Kwon, D.Tomnek, C.J.Lambert, Phys.Rev.Lett., (2000)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                               

최종편집일 2003년 2월 19일 강완신