카본 나노튜브를 이용한 초소형 화학 센서 및 바이오 센서 기술

 

센서와 액추에이터 관련 국제 학회인 [14th International Conference on Micro-Sensors, Actuators and Microsystems（Transducers’07）]이 지난 6월 10일부터 14일까지 5일간의 일정으로 프랑스 리용에서 개최되었다. 센서와 액추에이터는 MEMS 기술의 응용 분야이기도 하기 때문에 대부분의 발표는 MEMS 기술에 기반한 것이었으며, 이번 학회는 유럽에서 개최되는 센서 관련 학회인 [Eurosensors XXI]와 공동 개최되었다. 이 학회의 기조 강연에서는 카본 나노튜브를 이용한 센서 응용 분야와 기술 과제가 폭넓게 소개되었다.

기조 강연은 스위스 ETH Zurich, Micro and Nanosystems의 Christopher Hierold씨가 [Concepts for Carbon Nanotube Sensors]라는 제목으로 발표하였다. 이미 많은 센서가 mm 레벨의 크기로 MEMS 기술을 이용하여 실현되고 있으나 앞으로 더욱 미세한 센서가 필요하다는 것이 강연의 주요 내용이다. um 레벨의 센서가 생체 검사 등의 분야에서는 필수 불가결하기 때문이다. 이런 점에서 기존의 MEMS보다 1/10 이하로 소형화가 가능한 카본 나노튜브가 주목을 받고 있다. 그 중에서도 단층의 카본 원자를 튜브 형태로 형성한 Single-walled carbon nanotube (SWNT)의 중요성이 강조되었다. SWNT의 길이는 수 um, 직경이 1nm 정도의 크기이다.

카본 나노튜브는 반도체 분야의 경우, 밸리스틱 전기전도성에 의해 저항값이 낮아 미세한 배선에도 큰 전류를 흘릴 수 있다는 점과 반도체와 금속 모두의 특성을 가지고 있다는 점 등이 주로 거론되고 있다. 한편 센서 응용 분야에서는 전기전도성과 함께 물리적, 화학적 특성을 이용한다. 강연에서는 지금까지 제안된 연구 성과를 바탕으로 피에조 효과를 이용한 압력 센서 등이 소개되었다. 기존의 실리콘 MEMS로 실현 가능한 센서와 비교하여 응답성이 높은 것이 특징이다.

카본 나노튜브를 센서 소자로 기능시키기 위해서는 MEMS 기술을 이용하여 전자 회로 내부에 집적할 필요가 있는데, 관련된 융합 기술에 대해서도 언급되었다. MEMS 기술로 형성한 다결정 실리콘 위에 촉매를 사용하여 카본 나노튜브를 선택적으로 형성한다. 하지만 이러한 공정에는 나노튜브의 형성 과정에 관해 해명되지 않은 부분이 있어 아직 실용화에는 다소의 시간이 걸릴 것으로 예상하고 있다. 하지만 Hierold씨는 카본 나노튜브 센서에 관한 연구 발표와 특허 신청수가 최근 급증하고 있는 점을 지적하면서 앞으로의 활발한 연구 활동이 카본 나노튜브 센서 소자의 실용화를 앞당길 것이라고 강조하였다.

그럼 지금까지 발표된 카본 나노튜브를 이용한 센서 기술의 예를 소개하기로 한다.
카본 나노튜브가 원자나 분자에 충돌하였을 때 전기저항이 변하는 현상을 이용하여 화학 센서에 적용하고자 하는 연구가 미국과 스웨덴의 연구자들에 의해 발표되었다(참조URL1). 이들은 실험을 통해 헬륨, 네온, 아르곤 등의 비활성 기체 원자와 메탄, 질소 등의 작은 기체 분자가 카본 나노튜브와 충돌하였을 때의 효과를 연구하고, 그 결과 원자와 분자 질량의 세제곱근 만큼 카본 나노튜브의 열기전력과 저항이 증가하였음을 발견했다. 이 현상을 이용하면 카본 나노튜브를 이용하여 기체의 존재와 압력을 측정할 수 있을 것으로 보고 있다 (관련 논문, Science 307, 89, 2005). 이와 유사한 연구 결과를 미국 해군 연구소에서도 개발하였다. 이들이 개발한 기술은 카본 나노튜브 네트워크의 전기 용량 변화를 이용하여 화학적 증기의 존재 여부를 판단할 수 있는 기술이다. 이 기술의 특징은 카본 나노튜브의 네트워크를 이용하여 전기 용량의 측정을 쉽게 하고 노이즈에 대한 내성을 강화하였다는 것이다.

한편, 카본 나노튜브를 이용한 바이오 센서 연구도 매우 활발하다. 미국 일리노이 대학의 연구 그룹은 DNA로 둘러싸인 단층 벽을 가지는 카본 나노튜브가 근적외석을 이용하여 해로운 오염 물질의 이동 경로를 찾아내고 살아 있는 세포 내부에 정렬하는 특성이 있음을 발표하였다. 즉, 이러한 특성을 이용하면 카본 나토튜브 센서는 바이오 분자를 흡착하여 질병의 진단과 치료를 위한 직접 검사가 가능할 것으로 전망하고 있다. 열역학적으로 두 DNA 구조 사이에서 카본 나노튜브가 앞뒤로 스위칭 되는 것을 이용하여 카본 나노튜브의 전기적, 광학적 성질을 제어하는 것으로 가능하다는 설명이다.
또한 펜실베니아 대학의 연구 그룹은 카본 나노튜브 트랜지스터에 부착된 DNA를 사용하여 공기 중에 있는 미량의 화합물을 검지할 수 있는 나노 센서를 개발했다고 밝힌 바 있다(참조URL2). 연구진은 “전자 후각”이라는 제목으로 이 기술을 소개하였으며, 몇 가지 상이한 냄새에 노출시킨 후 각기 서로 다른 전기 감응이 나타나는 센서 동작에 대해 확인하였다. 카본 나노튜브를 이용하여 혈중 혈당 측정과 전염병 진단 등이 가능한 센서를 개발하고 있는 곳도 있다. 퍼시픽 노스웨스트 국립연구소의 연구 그룹은 카본 나노튜브에 적절한 촉매 처리를 수행하여 글루코스의 양을 정확하게 측정할 수 있는 글루코스 효소 바이오 센서 기술을 개발 중이다.

http://techon.nikkeibp.co.jp/

출처 : [기타] 블로그 집필 - NANOTECH(AdvancedCarbonMaterials)