탄소나노튜브 소자를 이용한 고감도, 나노 유량센서 제작

Abstract

이 연구는 탄소나노튜브기반의 유속센서의 반응 기작을 연구하고, supported 와 suspended 탄소나노튜브 소자의 민감도를 비교하여 suspended 구조의 소자가 nanoscale 센서로서 매우 우수함을 증명하는 이론을 제시하였다. 기존의 연구에서 탄소나노튜브를 이용한 유속센서는 외부에서 채널내부로 압력을 가하면 압력에 의해 전자가 이동하게 되어 유동전위가 발생하게 되고 이 현상에 의하여 컨덕턴스가 변화한다고 보고하였다. 우리의 실험에서는 컨덕턴스 변화가 유동전위에 의한 것이 아니라, 수용액내의 탄소나노튜브가 주변에 생기는 전기이중층 내의 확산층에 존재하는 양전하의 감소에 의한 것으로 판단하였다. 이 경우엔, 유속의 증가에 따른 trans-conductance의 기울기의 변화가 없는 것이 설명되어야 한다. 일반적으로 수용액상의 탄소나노튜브 나노소자에는 전해전극 전기용량과 양자전기용량이 발생되며, 이때 두 전기 용량은 직렬로 연결된 것과 같은 효과가 되지만, 더 작은 값을 지니는 양자전기용량(400×10-18F/㎛)에 의해 전기용량의 크기가 결정이 된다. 이러한 상태에서 유속이 흐르게 되면 전기이중층의 확산층에 있는 전자들이 이동하게 되어 컨덕턴스가 감소하게 되어도 trans-conductance의 기울기가 변하지 않게 되는 것이다. 이 실험을 통하여 suspended 탄소나노튜브 FET소자가 supported 구조의 탄소나노튜브 FET 소자 보다 일반적으로 10~20배 민감함을 확인 하였다. supported 구조에서는 기판에 존재하는 강한 표면전하들에 큰 영향을 받기 때문에 주변변화에 덜 민감할 수 밖에 없으며, 전하부동층에 크게 영향을 받게 된다. 비슷한 게이트 특성을 지니는 두 탄소나노튜브 소자에 대하여, 단위길이(㎛)당 전하량의 변화를 정량화해 비교해보면, supported의 구조에서는 단위유속(mm/sec)당 20개/(mm/sec), suspended의 구조에서는 단위유속당 350개/(mm/sec)가 컨덕턴스에 영향을 미치는 것이 관찰되었다. 차후 보다 많은 탄소나노튜브 소자들에 대하여 동일한 실험을 반복함으로써, 통계적인 결과를 도출해 낼 예정이다. 본 연구를 통하여 유체채널에서 suspended의 구조가 주변의 환경을 감지하는데 매우 뛰어남을 밝혀냈다. 이 구조적 특성을 사용하여 앞에서 nanoscale의 바이오 센서로서 대전된 종(species)도 감지 할 수 있을 것이며, 화학적 센서나 탐침 등으로 사용하면 매우 유용할 것이라 예상된다.