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탄소 나노섬유

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목차

1. 개요

탄소 나노섬유는 탄소 원자로 구성된 나노미터 크기의 섬유로, 화학 기상 증착(CVD) 등의 방법으로 합성된다. 이들은 리튬 이온 배터리 전극, 치료 약물 전달, 센서, 촉매 담체, 복합 재료 등 다양한 분야에 응용되며, 특히 에너지 저장 및 환경 정화 분야에서 활용도가 높다. 탄소 나노섬유는 1889년 처음 발견되었으며, 1950년대 전자 현미경 기술 발달로 구조가 분석되면서 본격적인 연구가 시작되었다. 최근에는 유출된 기름 제거를 위한 다공성 복합 탄소 나노섬유 개발 등 상업적 생산 및 응용 연구가 활발히 진행되고 있다.

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탄소 나노섬유
개요
종류탄소 기반 나노 물질
다른 이름탄소 섬유, CNF
구조 및 특성
직경1 ~ 100 nm
길이5 ~ 500 μm
탄소 구조흑연 시트 (배향은 다양함)
밀도1.8 ~ 2.1 g/cm³
인장 강도0.3 ~ 6 GPa
탄성 계수20 ~ 600 GPa
전기 전도도금속 또는 반도체 특성
제조 방법
주요 방법기상 화학 증착법 (CVD)
전기 방사
촉매금속 나노 입자 (예: 철, 니켈, 코발트)
응용 분야
복합 재료고강도 경량 복합재
전도성 복합재
에너지 저장리튬 이온 배터리 전극
슈퍼커패시터
촉매촉매 지지체
센서가스 센서, 바이오 센서
전자 장치트랜지스터, 전계 방출 장치
의학약물 전달, 조직 공학
유형
분류 기준흑연 시트 배향
코어 구조
주요 유형헤링본형 (Herringbone)
플레이트렛형 (Platelet)
튜브형 (Tube)
추가 정보
특징높은 비표면적, 우수한 전기 전도도, 높은 강도
고려 사항분산
정렬
계면 접착

2. 합성

탄소 나노섬유(CNF) 합성은 탄소의 유연한 화학 결합 특성을 활용한다. 탄소는 다이아몬드, 흑연, 풀러렌 등 다양한 동소체를 형성할 수 있다.[2] CNF는 열적, 전기적, 전자기 차폐, 기계적 특성이 뛰어나 복합 재료 첨가제로 널리 쓰인다.[3][4] CNF는 나노미터 크기로 매우 작아, 주사 터널링 현미경, 원자간력 현미경 같은 특수 현미경 기술로 관찰해야 한다.

2017년 칭화 대학교 연구팀은 탄소 나노튜브를 템플릿으로 사용하여 촉매 없이 정렬된 연속 탄소 나노섬유를 에피택셜 성장시키는 방법을 보고했다. 이 방법은 기상 열분해 탄소 증착으로 탄소 나노튜브 필름 두께를 늘리고, 고온 처리로 탄소층을 흑연화한다. 이 섬유는 낮은 밀도, 높은 기계적 강도, 우수한 전기 및 열 전도성을 가진다.[12]

2. 1. 촉매 화학 기상 증착 (CCVD)

탄소는 높은 수준의 화학 결합 유연성을 가지고 있어 다양한 유기 및 무기 분자 형성에 기여한다. 원소 탄소는 동소체(변형체)로 다이아몬드, 흑연, 풀러렌 등을 포함한다.[2] 탄소 나노섬유(CNF)는 열적, 전기적, 전자기 차폐 및 기계적 특성 향상으로 유명하며, 복합 재료에 널리 사용되는 첨가제이다.[3][4]

촉매 화학 기상 증착(CCVD)은 VGCF 및 VGCNF를 제작하는 데 지배적인 상업 기술이다. 이 공정에서 기체 분자는 고온에서 분해되고 탄소는 전이 금속 촉매 존재하에 기판에 증착되어 촉매 입자 주변에 섬유가 성장한다. 일반적으로 이 공정에는 가스 분해, 탄소 증착, 섬유 성장, 섬유 두께 증가, 흑연화, 정제와 같은 별도의 단계가 포함되며 중공 섬유가 생성된다. 나노섬유 직경은 촉매 크기에 따라 달라진다.[5] CVD 공정은 일반적으로 고정 촉매 공정(배치)과 부유 촉매 공정(연속) 두 가지로 나뉜다.

2. 1. 1. 고정 촉매 공정 (배치)

Tibbetts가 개발한 배치 공정[6]에서는 탄화수소, 수소, 헬륨 혼합물을 1000°C로 유지된 미세 철 촉매 입자 침전물이 있는 멀라이트(결정질 알루미늄 규산염) 위로 통과시켰다. 사용된 탄화수소는 부피로 15% 농도의 메탄이었다. 가스 체류 시간 20초 만에 몇 센티미터 길이의 섬유 성장이 단 10분 만에 달성되었다. 일반적으로 섬유 길이는 반응기 내 가스 체류 시간에 의해 제어할 수 있다. 중력 및 가스 흐름 방향은 일반적으로 섬유 성장 방향에 영향을 미친다.[5]

2. 1. 2. 부유 촉매 공정 (연속)

코야마와 엔도는 부유 촉매 공정(연속 공정)을 처음 특허 받았고,[7] 나중에 하타노와 동료들에 의해 수정되었다.[8] 이 공정은 일반적으로 탄소 나노섬유의 정의에 따라 서브마이크로미터 직경과 10μm~100μm 길이의 VGCF를 생성한다. 그들은 온도가 1100°C로 상승함에 따라 탄화수소 가스 내에 초미세 촉매 입자(직경 5–25 nm)의 혼합물을 생성하는 벤젠과 같은 휘발성 용매에 용해된 유기금속 화합물을 사용했다. 용광로에서 섬유 성장은 촉매 입자 표면에서 시작되어 시스템 내 불순물에 의한 촉매 독성이 발생할 때까지 계속된다. 베이커와 동료들이 설명한 섬유 성장 메커니즘[9]에서 가스 혼합물에 노출된 촉매 입자의 부분만 섬유 성장에 기여하고 노출된 부분이 덮이는 즉시, 즉 촉매가 독성이 있는 즉시 성장이 멈춘다. 촉매 입자는 최종 농도가 약 ppm 수준으로 섬유의 성장 팁에 묻혀 있다. 이 단계에서 섬유 두께가 증가한다.

가장 일반적으로 사용되는 촉매는 철이며, 종종 황, 황화수소 등으로 처리하여 융점을 낮추고 탄소 기공으로의 침투를 용이하게 하여 더 많은 성장 부위를 생성한다.[2] Fe/Ni, Ni, Co, Mn, Cu, V, Cr, Mo, Pd, MgO 및 Al2O3도 촉매로 사용된다.[10][11] 아세틸렌, 에틸렌, 메탄, 천연 가스, 벤젠은 가장 일반적으로 사용되는 탄소 가스이다. 종종 일산화탄소(CO)는 시스템 내 가능한 산화철을 환원하여 탄소 수율을 높이기 위해 가스 흐름에 도입된다.

2. 2. 기타 합성 방법

탄소는 화학 결합 유연성이 뛰어나 다양한 유기 및 무기 분자 형성에 기여한다. 원소 탄소는 동소체 (변형체)로 다이아몬드, 흑연, 풀러렌 등을 포함하며, 이들은 모두 원소 탄소로 구성되어 있지만 성질은 매우 다양하다.[2] 탄소 나노섬유(CNF)는 이러한 탄소의 다재다능함을 보여주는 예시로, 열적, 전기적, 전자기 차폐 및 기계적 특성 향상에 기여한다.[3] 탄소는 저렴하고 쉽게 구할 수 있어 CNF는 복합 재료의 첨가제로 널리 사용된다.[4]

CNF는 매우 작아 나노미터 크기를 가지며, 원자 크기가 0.1~0.5 nm 사이이므로 CNF의 특성을 조사하기 위해서는 주사 터널링 현미경 및 원자간력 현미경과 같은 특수 현미경 기술이 필요하다.
촉매 화학 기상 증착(CCVD)촉매 화학 기상 증착(CCVD) 또는 열 및 플라즈마 보조와 같은 변형을 포함하는 CVD는 VGCF 및 VGCNF를 제작하는 데 널리 사용되는 기술이다. 이 공정에서는 기체 분자가 고온에서 분해되고 탄소는 전이 금속 촉매의 존재 하에 기판에 증착되어 촉매 입자 주변에 섬유가 성장한다.

일반적으로 이 공정은 가스 분해, 탄소 증착, 섬유 성장, 섬유 두께 증가, 흑연화, 정제 등의 단계로 이루어지며, 중공 섬유가 생성된다. 나노섬유 직경은 촉매 크기에 따라 달라진다. VGCF 제작을 위한 CVD 공정은 일반적으로 고정 촉매 공정(배치)과 부유 촉매 공정(연속)의 두 가지로 나뉜다.[5]
배치 공정Tibbetts가 개발한 배치 공정[6]에서는 탄화수소/수소/헬륨 혼합물을 1000°C로 유지된 미세 철 촉매 입자 침전물이 있는 멀라이트 (결정질 알루미늄 규산염) 위로 통과시킨다. 사용된 탄화수소는 부피로 15% 농도의 메탄이었다. 가스 체류 시간 20초 만에 몇 센티미터 길이의 섬유 성장이 단 10분 만에 달성되었다. 일반적으로 섬유 길이는 반응기 내 가스 체류 시간에 의해 제어할 수 있으며, 중력 및 가스 흐름 방향은 섬유 성장 방향에 영향을 미친다.[5]
연속(부유 촉매) 공정연속 또는 부유 촉매 공정은 Koyama와 Endo에 의해 처음 특허를 받았고,[7] 나중에 Hatano와 동료들에 의해 수정되었다.[8] 이 공정은 일반적으로 탄소 나노섬유의 정의에 따라 서브마이크로미터 직경과 10~100 μm 길이의 VGCF를 생성한다. 이 공정에서는 온도가 1100°C로 상승함에 따라 탄화수소 가스 내에 초미세 촉매 입자(직경 5–25 nm)의 혼합물을 생성하는 벤젠과 같은 휘발성 용매에 용해된 유기금속 화합물을 사용한다. 용광로에서 섬유 성장은 촉매 입자 표면에서 시작되어 시스템 내 불순물에 의한 촉매 독성이 발생할 때까지 계속된다.

Baker와 동료들이 설명한 섬유 성장 메커니즘[9]에 따르면, 가스 혼합물에 노출된 촉매 입자의 부분만 섬유 성장에 기여하고 노출된 부분이 덮이는 즉시, 즉 촉매가 독성이 있는 즉시 성장이 멈춘다. 촉매 입자는 최종 농도가 약 ppm 수준으로 섬유의 성장 팁에 묻혀 있으며, 이 단계에서 섬유 두께가 증가한다.
촉매 및 탄소 가스가장 일반적으로 사용되는 촉매는 철이며, 종종 황, 황화수소 등으로 처리하여 융점을 낮추고 탄소 기공으로의 침투를 용이하게 하여 더 많은 성장 부위를 생성한다.[2] Fe/Ni, Ni, Co, Mn, Cu, V, Cr, Mo, Pd, MgO 및 Al2O3도 촉매로 사용된다.[10][11] 아세틸렌, 에틸렌, 메탄, 천연 가스, 벤젠은 가장 일반적으로 사용되는 탄소 가스이다. 종종 일산화탄소 (CO)는 시스템 내 가능한 산화철을 환원하여 탄소 수율을 높이기 위해 가스 흐름에 도입된다.
에피택셜 성장2017년, 칭화 대학교의 연구 그룹은 탄소 나노튜브 템플릿으로부터 정렬되고 연속적인 촉매가 없는 탄소 나노섬유의 에피택셜 성장을 보고했다. 제작 공정에는 기상 열분해 탄소 증착에 의한 연속 탄소 나노튜브 필름의 두께 증가와 고온 처리에 의한 탄소층의 추가 흑연화가 포함된다. 에피택셜 성장 메커니즘으로 인해 이 섬유는 낮은 밀도, 높은 기계적 강도, 높은 전기 전도도, 높은 열 전도도를 포함한 뛰어난 특성을 갖는다.[12]

3. 안전성

1970년 미국 산업안전보건법은 작업장 안전에 많은 변화를 가져왔으며, 이 법으로 규제되는 물질 중 하나가 탄소 나노섬유(CNF)이다. 탄소 나노튜브(CNT)와 CNF의 건강 위험이 크다는 연구가 진행되면서, 나노입자 노출을 최소화하려는 노력이 이루어지고 있다.[13]

탄소 나노섬유 관련 위험은 섬유의 모양, 크기, 화학적 조성 등의 다양성 때문에 정확히 파악하기 어렵다. 2015년 노출 기준에 따르면, CNT 및 CNF 노출 허용 한계는 호흡 가능한 크기 분획 원소 탄소 1μg/m3 (8시간 시간 가중 평균)이다.[14]

최근 CNF 물질 안전 보건 자료(SDS, 2016년 개정)에 따르면, 탄소 나노섬유는 눈 자극 물질이며 단일 노출 호흡기계 기관 독성이 있다. 작은 CNF는 먼지 구름을 형성할 가능성이 커서 취급 시 주의해야 한다. 권장되는 개인 보호 장비(PPE)에는 니트릴 장갑, 입자 호흡기, 나노 물질 침투 방지 의류가 있다. 또한, 안전한 보관을 위해 산화제 및 화염으로부터 멀리 보관해야 한다. 화재 시 유해한 분해 생성물이 발생하지만, 정확한 특성은 아직 알려져 있지 않다. 발암성 및 기관 독성 외 CNF에 대한 독성학적 데이터는 제한적이다.[15]

3. 1. 호흡기 위험성

탄소 나노섬유(CNF)와 관련된 주요 위험 중 하나는 폐 염증, 육아종, 섬유증과 같은 호흡기 손상이다. 그러나 이러한 결과는 쥐에서 관찰되었으며, 사람에게서도 같은 영향이 나타날지는 현재 알 수 없다. 그럼에도 불구하고 이러한 연구는 나노입자 노출을 최소화하려는 시도를 촉발시켰다.[13]

2013년 연례 독성학회 회의 전에 진행된 연구에서는 다중벽 탄소 나노튜브(MWCNT)와 관련된 잠재적 발암 물질 효과를 확인하려 했다. 연구 결과, 개시제 화학 물질이 존재하면 MWCNT가 쥐의 종양 발생률을 훨씬 높이는 것으로 나타났다. 그러나 개시제 화학 물질이 없으면 종양 증가는 나타나지 않았다. 이 시나리오에 대한 추가 연구가 필요하다.[13]

CNF 관련 위험을 식별하는 데 있어 주요 장애물 중 하나는 섬유의 다양성이다. 모양, 크기, 화학적 조성이 다양성에 영향을 미치는 요인이다. 2015년 노출 기준에 따르면 탄소 나노튜브(CNT) 및 CNF 노출 허용 한계는 호흡 가능한 크기 분획 원소 탄소 1μg/m3이다(8시간 시간 가중 평균). 이 표준은 투과 전자 현미경(TEM)으로 샘플을 분석한 14개 사이트에서 수집한 정보를 기반으로 했다.[14]

최근 CNF에 대한 물질 안전 보건 자료(SDS)(2016년 개정)에는 나노섬유가 눈 자극 물질이며 단일 노출 호흡기계 기관 독성이 있다고 명시되어 있다. 작은 CNF는 취급 시 먼지 구름을 형성할 가능성이 더 크므로, CNF를 취급할 때는 각별한 주의가 필요하다. CNF 취급에 권장되는 개인 보호 장비(PPE)에는 니트릴 장갑, 입자 호흡기, 나노 물질에 침투하지 않는 의류가 포함된다(작업장 조건에 따라 다름). CNF 취급 중 노출 관리 외에도 안전한 보관 조건 역시 CNF 관련 위험을 최소화하는 데 중요하다. 안전한 CNF 보관에는 산화제 및 화염으로부터 섬유를 멀리 보관하는 것이 포함된다. 화재 발생 시 CNF는 유해한 분해 생성물을 형성하지만, 정확한 특성은 현재 알려져 있지 않다. 발암성 및 기관 독성 외 CNF에 대한 독성학적 데이터는 현재 다소 제한적이다.[15]

3. 2. 발암 가능성

1970년 미국의 산업안전보건법은 작업장 안전과 관련하여 많은 변화를 가져왔습니다. 이 법에 의해 규제될 수 있는 물질 중 하나가 탄소 나노섬유(CNF)입니다. 탄소 나노튜브(CNT)와 CNF와 관련된 건강 위험이 벌크 형태의 물질보다 더 큰 위험을 초래한다는 연구가 진행되었습니다. CNT 및 CNF와 관련된 주요 위험 중 하나는 폐 염증, 육아종 및 섬유증과 같은 호흡기 손상입니다. 그러나 이러한 발견은 쥐에서 관찰되었으며, 동일한 영향이 인간에게서 관찰될지는 현재 알 수 없습니다. 그럼에도 불구하고 이러한 연구는 이러한 나노입자에 대한 노출을 최소화하려는 시도를 하게 했습니다.[13]

2013년 연례 독성학회 회의 전에 진행된 별도의 연구에서는 다중벽 탄소 나노튜브(MWCNT)와 관련된 잠재적인 발암 물질 효과를 식별하는 것을 목표로 했습니다. 그 결과, 개시제 화학 물질이 존재할 경우 MWCNT는 쥐에게서 종양 발생률을 훨씬 더 높이는 것으로 나타났습니다. 그러나 개시제 화학 물질이 없는 경우에는 종양의 증가는 나타나지 않았습니다. 이 시나리오에 대한 추가 연구가 필요합니다.[13]

CNF와 관련된 위험을 식별하는 데 있어 주요 장애물 중 하나는 존재하는 섬유의 다양성입니다. 이러한 다양성에 기여하는 요인으로는 모양, 크기 및 화학적 조성이 있습니다. 2015년의 한 노출 기준에 따르면 CNT 및 CNF 노출에 대한 허용 한계는 호흡 가능한 크기 분획 원소 탄소 1μg/m3입니다(8시간 시간 가중 평균). 이 표준은 투과 전자 현미경(TEM)으로 샘플을 분석한 14개 사이트에서 수집한 정보를 기반으로 했습니다.[14]

최근 CNF에 대한 물질 안전 보건 자료(SDS)(2016년 개정)에는 나노섬유가 눈 자극 물질로 나열되어 있으며 단일 노출 호흡기계 기관 독성이 있다고 명시되어 있습니다. 작은 CNF는 취급 시 먼지 구름을 형성할 가능성이 더 큽니다. 따라서 CNF를 취급할 때는 각별한 주의가 필요합니다. CNF 취급에 권장되는 개인 보호 장비(PPE)에는 니트릴 장갑, 입자 호흡기 및 나노 물질에 침투하지 않는 의류가 포함됩니다(작업장 조건에 따라 다름). CNF를 취급하는 동안의 노출 관리 외에도 안전한 보관 조건 역시 CNF와 관련된 위험을 최소화하는 데 중요합니다. 안전한 CNF 보관에는 산화제 및 화염으로부터 섬유를 멀리 보관하는 것이 포함됩니다. 화재 발생 시 CNF는 유해한 분해 생성물을 형성하지만, 이러한 분해 생성물의 정확한 특성은 현재 알려져 있지 않습니다. 발암성 및 기관 독성 외에 CNF에 대한 독성학적 데이터는 현재 다소 제한적입니다.[15]

3. 3. 안전 관리

1970년 미국의 산업안전보건법(Occupational Safety and Health Act)은 지난 수십 년 동안 작업장 안전과 관련하여 이루어진 많은 변화의 원동력이었다. 이 법에 의해 규제될 수많은 물질 중 소규모 그룹에 속하는 물질이 탄소 나노섬유(CNF)이다. 여전히 활발한 연구 분야이지만, 탄소 나노튜브(CNT)와 CNF와 관련된 건강 위험이 벌크 형태의 물질보다 더 큰 위험을 초래한다는 연구가 진행되었다. CNT 및 CNF와 관련된 주요 위험 중 하나는 폐 염증, 육아종 및 섬유증과 같은 호흡기 손상이다. 그러나 이러한 발견은 쥐에서 관찰되었으며, 동일한 영향이 인간에게서 관찰될지는 현재 알 수 없다. 그럼에도 불구하고 이러한 연구는 이러한 나노입자에 대한 노출을 최소화하려는 시도를 하게 했다.[13]

2013년 연례 독성학회 회의 전에 진행된 별도의 연구에서는 다중벽 탄소 나노튜브(MWCNT)와 관련된 잠재적인 발암 물질 효과를 식별하는 것을 목표로 했다. 그 결과, 개시제 화학 물질이 존재할 경우 MWCNT는 쥐에게서 종양 발생률을 훨씬 더 높이는 것으로 나타났다. 그러나 개시제 화학 물질이 없는 경우에는 종양의 증가는 나타나지 않았다. 이 시나리오에 대한 추가 연구가 필요하다.[13]

CNF와 관련된 위험을 식별하는 데 있어 주요 장애물 중 하나는 존재하는 섬유의 다양성이다. 이러한 다양성에 기여하는 요인으로는 모양, 크기 및 화학적 조성이 있다. 2015년의 한 노출 기준에 따르면 CNT 및 CNF 노출에 대한 허용 한계는 호흡 가능한 크기 분획 원소 탄소 1μg/m3이다(8시간 시간 가중 평균). 이 표준은 투과 전자 현미경(TEM)으로 샘플을 분석한 14개 사이트에서 수집한 정보를 기반으로 했다.[14]

최근 CNF에 대한 물질 안전 보건 자료(SDS)(2016년 개정)에는 나노섬유가 눈 자극 물질로 나열되어 있으며 단일 노출 호흡기계 기관 독성이 있다고 명시되어 있다. 작은 CNF는 취급 시 먼지 구름을 형성할 가능성이 더 크다. 따라서 CNF를 취급할 때는 각별한 주의가 필요하다. CNF 취급에 권장되는 개인 보호 장비(PPE)에는 니트릴 장갑, 입자 호흡기 및 나노 물질에 침투하지 않는 의류가 포함된다(작업장 조건에 따라 다름). CNF를 취급하는 동안의 노출 관리 외에도 안전한 보관 조건 역시 CNF와 관련된 위험을 최소화하는 데 중요하다. 안전한 CNF 보관에는 산화제 및 화염으로부터 섬유를 멀리 보관하는 것이 포함된다. 화재 발생 시 CNF는 유해한 분해 생성물을 형성하지만, 이러한 분해 생성물의 정확한 특성은 현재 알려져 있지 않다. 발암성 및 기관 독성 외에 CNF에 대한 독성학적 데이터는 현재 다소 제한적이다.[15]

4. 응용 분야

탄소 나노섬유(CNF)는 다음과 같은 다양한 분야에서 활용되고 있다.


  • '''치료 약물 전달:''' 바늘 모양의 탄소 나노섬유가 내장된 탄성 물질을 이용하여 병든 세포에 치료 약물을 전달하는 기술이 연구되고 있다.[16]
  • '''리튬 이온 배터리 전극:''' MIT 연구자들은 탄소 나노섬유를 사용하여 기존 배터리보다 4배 더 큰 저장 용량을 가진 전극을 개발했다.[16]
  • '''센서:''' 화학 증기를 흡수하면 색상이 변하는 센서를 만들어 방독면의 흡수 물질 포화 여부를 표시하는 데 활용될 수 있다.[16]
  • '''전계 방출 소스:''' 정전기장에 의해 유도된 전자의 방출을 이용하는 분야에 활용될 수 있다.
  • '''주사 탐침 현미경 팁:''' 시료 표면을 스캔하여 이미지를 형성하는 현미경의 팁으로 사용된다.
  • '''석유 화학 촉매 담체:''' 다양한 촉매 반응을 위한 담체로 활용된다.
  • '''임팔레펙션:''' 유전자 전달을 위한 플랫폼으로 사용된다.
  • '''전극 재료:''' 전극 재료로 활용된다.[22]
  • '''유출된 기름 정화:''' 기름 유출 사고 시 정화 작업에 활용될 수 있다.
  • '''폴리아크릴로니트릴(PAN) 기반 탄소 나노섬유:''' 전기 방사, 안정화, 탄화 과정을 통해 연속적인 탄소 나노섬유를 만드는 데 사용된다.[18]


이 외에도, 화학 기상 증착(CCVD) 공정을 통해 고순도 탄소 나노섬유(CNF)를 저렴한 비용으로 대량 생산하는 기술이 개발되어 추가적인 시장 개발 가능성이 열려있다.[4]

4. 1. 복합 재료

탄소는 높은 수준의 화학 결합 유연성을 가지고 있어, 다양한 유기 및 무기 분자 형성에 기여한다. 원소 탄소의 동소체에는 다이아몬드, 흑연, 풀러렌 등이 있다.[2] 이들은 모두 원소 탄소로 구성되어 있지만, 그 성질은 매우 다양하다. CNF(탄소 나노섬유)는 열적, 전기적, 전자기 차폐 및 기계적 특성 향상으로 유명하며, 이러한 탄소의 다재다능함은 CNF의 다양한 활용에 기여한다.[3] 탄소는 저렴한 비용으로 쉽게 구할 수 있으므로, CNF는 복합 재료에 널리 사용되는 첨가제이다.[4]

4. 2. 에너지 저장

MIT 연구자들은 탄소 나노섬유를 이용하여 기존 리튬 이온 배터리보다 4배 더 큰 저장 용량을 가진 리튬 이온 배터리 전극을 개발했다.[16] 다공성 탄소 나노섬유는 리튬 이온 배터리 음극으로 사용될 때 높은 가역 용량, 우수한 사이클 안정성 등 뛰어난 전기화학적 성능을 보였다.[17]

4. 3. 촉매 담지체

탄소 나노섬유(CNF)는 촉매 화학 기상 증착(CCVD) 또는 열 및 플라즈마 보조와 같은 변형을 포함하는 단순 CVD를 통해 제작된다. 이때 기체 분자는 고온에서 분해되고 탄소는 전이 금속 촉매의 존재하에 기판에 증착되어 촉매 입자 주변에 섬유가 성장한다.[5] 이 공정에는 가스 분해, 탄소 증착, 섬유 성장, 섬유 두께 증가, 흑연화, 정제와 같은 별도의 단계가 포함되며 중공 섬유가 생성된다. 나노섬유 직경은 촉매 크기에 따라 달라진다.[5]

VGCF 제작을 위한 CVD 공정은 일반적으로 고정 촉매 공정(배치)과 부유 촉매 공정(연속)의 두 가지 범주로 나뉜다.[5]

Tibbetts가 개발한 배치 공정[6]에서는 탄화수소/수소/헬륨 혼합물을 1000°C로 유지된 미세 철 촉매 입자 침전물이 있는 멀라이트 (결정질 알루미늄 규산염) 위로 통과시켰다. 사용된 탄화수소는 부피로 15% 농도의 메탄이었다. 가스 체류 시간 20초 만에 몇 센티미터 길이의 섬유 성장이 단 10분 만에 달성되었다. 일반적으로 섬유 길이는 반응기 내 가스 체류 시간에 의해 제어할 수 있다. 중력 및 가스 흐름 방향은 일반적으로 섬유 성장 방향에 영향을 미친다.[5]

연속 또는 부유 촉매 공정은 Koyama와 Endo에 의해 먼저 특허를 받았고,[7] 나중에 Hatano와 동료들에 의해 수정되었다.[8] 이 공정은 일반적으로 탄소 나노섬유의 정의에 따라 서브마이크로미터 직경과 10μm~100μm 길이의 VGCF를 생성한다. 이들은 온도가 1100°C로 상승함에 따라 탄화수소 가스 내에 초미세 촉매 입자(직경 5nm–25nm)의 혼합물을 생성하는 벤젠과 같은 휘발성 용매에 용해된 유기금속 화합물을 사용했다. 용광로에서 섬유 성장은 촉매 입자 표면에서 시작되어 시스템 내 불순물에 의한 촉매 독성이 발생할 때까지 계속된다. Baker와 동료들이 설명한 섬유 성장 메커니즘[9]에서 가스 혼합물에 노출된 촉매 입자의 부분만 섬유 성장에 기여하고 노출된 부분이 덮이는 즉시, 즉 촉매가 독성이 있는 즉시 성장이 멈춘다. 촉매 입자는 최종 농도가 약 ppm 수준으로 섬유의 성장 팁에 묻혀 있다. 이 단계에서 섬유 두께가 증가한다.

가장 일반적으로 사용되는 촉매는 철이며, 종종 황, 황화수소 등으로 처리하여 융점을 낮추고 탄소 기공으로의 침투를 용이하게 하여 더 많은 성장 부위를 생성한다.[2] Fe/Ni, Ni, Co, Mn, Cu, V, Cr, Mo, Pd, MgO 및 Al2O3도 촉매로 사용된다.[10][11] 아세틸렌, 에틸렌, 메탄, 천연 가스, 벤젠은 가장 일반적으로 사용되는 탄소 가스이다. 종종 일산화탄소 (CO)는 시스템 내 가능한 산화철을 환원하여 탄소 수율을 높이기 위해 가스 흐름에 도입된다.

4. 4. 바이오/의료

연구자들은 탄소 나노섬유를 치료 약물 전달에 사용하고 있다. 바늘 모양의 탄소 나노섬유가 내장된 탄성 물질을 개발했는데, 이는 병든 조직 근처에 삽입된 후 팽창하는 풍선처럼 사용될 예정이다. 풍선이 팽창하면 탄소 나노섬유가 병든 세포를 관통하여 치료 약물을 전달한다.[16]

탄소 나노섬유는 수직 정렬 배열에서 유전자 전달을 위한 플랫폼으로도 활용된다. (임팔레펙션 참조) 임팔레펙션은 탄소 나노섬유, 탄소 나노튜브, 나노와이어와 같은 나노물질을 사용하는 유전자 전달 방법이다. 바늘 모양의 나노구조는 기판 표면에 수직으로 합성된다. 세포 내 전달을 위한 유전자를 포함하는 플라스미드 DNA는 나노구조 표면에 부착된다. 이러한 바늘 어레이가 있는 칩을 세포나 조직에 대고 누르면, 나노구조에 의해 관통된 세포는 전달된 유전자를 발현할 수 있다.[21]

4. 5. 환경 정화

탄소 나노섬유(CNF)는 저렴한 비용으로 쉽게 구할 수 있어 복합 재료에 널리 사용되는 첨가제이다.[4] 유출된 기름 정화에는 탄소-탄소 복합 재료가 사용되는데, 이는 금속 함유 촉매 재료로 탄소질 담체 재료를 처리하는 단계를 거친다. 이 금속은 나노 크기의 탄소 구조를 형성할 수 있으며, 탄소 함유 가스를 포함하는 가스 분위기에서 처리된 담체에 화학 기상 증착 방법으로 나노 크기의 탄소 구조를 성장시킨 후, 선택적으로 표면을 개질하는 단계를 거친다. 이 공정을 통해 다공성, 유체 역학적 특성 및 표면 화학을 서로 독립적으로 최적화할 수 있으며, 이는 특히 복합 재료를 물 정화에 사용하는 경우에 유용하다. 카본 블랙 기반 복합 재료는 특히 필러 용도로 유용하다.[23]

4. 6. 기타 응용


  • 연구자들은 치료 약물 전달에 탄소 나노섬유를 사용하고 있다. 바늘 모양의 탄소 나노섬유가 내장된 탄성 물질을 개발했는데, 이는 병든 조직 근처에 삽입된 후 팽창하는 풍선으로 사용될 예정이다. 풍선이 팽창하면 탄소 나노섬유가 병든 세포를 관통하여 치료 약물을 전달한다. MIT 연구자들은 탄소 나노섬유를 사용하여 현재의 리튬 이온 배터리보다 4배의 저장 용량을 보이는 리튬 이온 배터리 전극을 만들었다. 또한, 화학 증기를 흡수하면 색상이 변하는 센서를 만들기 위해 나노섬유를 사용하고 있으며, 이를 통해 방독면의 흡수 물질 포화 여부를 표시할 계획이다.[16]
  • 다공성 탄소 나노섬유의 독특한 구조는 리튬 이온 배터리 음극으로 사용되었을 때 높은 가역 용량 및 우수한 사이클 안정성을 보이는 등 우수한 전기화학적 성능을 나타냈다.[17]
  • 추가적인 시장 개발은 합리적인 가격으로 재료를 구할 수 있는지에 달려있다. 화학 기상 증착(CCVD) 공정을 통해 고순도 탄소 나노섬유(CNF)를 저렴한 비용으로 대량 생산할 수 있게 되었다.[4]
  • 촉매 합성과 달리, 폴리아크릴로니트릴(PAN)을 전기 방사한 후 안정화 및 탄화하는 것은 연속적인 탄소 나노섬유를 만드는 간단하고 편리한 방법이다.[18]
  • 전계 방출 소스로 응용할 수 있다.
  • 복합 재료로 사용된다.
  • 주사 탐침 현미경 팁으로 활용된다.
  • 석유 화학에서 다양한 촉매를 위한 담체로 사용된다.
  • 수직 정렬 배열에서 유전자 전달을 위한 플랫폼으로 사용된다. (임팔레펙션 참조)
  • 전극 재료로 사용된다.[22]
  • 유출된 기름 정화에 사용된다.

5. 역사

탄소는 화학 결합 유연성이 높아 다양한 유기 및 무기 분자 형성에 기여한다. 원소 탄소는 다이아몬드, 흑연, 풀러렌 등의 동소체(변형체)로 존재한다.[2] 탄소 나노섬유(CNF)는 열적, 전기적, 전자기 차폐 및 기계적 특성이 뛰어나다.[3] 탄소는 저렴하고 쉽게 구할 수 있어 CNF는 복합 재료에 널리 사용된다.[4] CNF는 나노미터 크기로 매우 작다. 원자 크기가 0.1~0.5nm이므로, CNF의 특성을 조사하려면 주사 터널링 현미경 및 원자간력 현미경과 같은 특수 현미경 기술이 필요하다.

VGCNF는 VGCF와 본질적으로 같은 제조 공정으로 생산되며, 직경은 보통 200nm 미만이다. 현재 여러 회사에서 탄소 나노섬유를 상업적으로 생산하고 있으며, 유출된 기름 제거를 위한 다공성 복합 탄소 나노섬유 개발 등 새로운 응용 분야가 활발히 연구되고 있다.[30]

5. 1. 초기 연구 (19세기 말 ~ 20세기 중반)

휴즈(Hughes)와 챔버스(Chambers)는 1889년에 필라멘트 탄소 합성에 관한 특허를 작성했다.[24] 그들은 메탄/수소 기체 혼합물을 사용하여 가스 열분해와 그에 따른 탄소 증착 및 필라멘트 성장을 통해 탄소 필라멘트를 성장시켰다. 그러나 이러한 섬유의 진정한 가치는 전자 현미경으로 구조를 분석할 수 있게 되면서 나타났다.[2]

1950년대 초, 소련 과학자 라두쉬케비치와 루키아노비치는 직경 50나노미터의 속이 빈 흑연 탄소 섬유를 보여주는 논문을 소련 물리학 저널에 게재하여 탄소 나노섬유에 대한 최초의 전자 현미경 관찰을 수행했다.[25] 1970년대 초, 신슈 대학교 탄소 과학 기술 연구소 소장인 일본 연구원 모리노부 엔도는 일부가 속이 빈 튜브 형태로 된 탄소 나노섬유의 발견을 보고했다.[26] 그는 또한 직경 1μm, 길이 1mm 이상의 VGCF 제조에 성공했다.[27]

1980년대 초, 미국의 티베츠(Tibbetts)[6]와 프랑스의 베니사드(Benissad)[28]는 VGCF 제조 공정을 개선했다. 미국에서는 R. Terry K. Baker가 첨단 응용 분야에 사용할 이러한 물질의 합성 및 특성에 대한 심층 연구를 주도했다. 이들은 특히 석유 처리 분야를 비롯한 다양한 상업적 공정에서 물질이 축적되어 발생하는 지속적인 문제로 인해 탄소 나노섬유의 성장을 억제해야 할 필요성에 의해 동기를 부여받았다.

1991년, 일본 연구원 이이지마 스미오는 NEC에서 근무하면서 속이 빈 탄소 분자를 합성하고 결정 구조를 결정했다. 이듬해 이 분자는 처음으로 "탄소 나노튜브"라고 불렸다.[29]

5. 2. 본격적인 연구 (1970년대 ~ 현재)

1970년대 초, 신슈 대학교 탄소 과학 기술 연구소 소장인 일본 연구원 모리노부 엔도는 속이 빈 튜브 형태의 탄소 나노섬유를 발견했다.[26] 그는 또한 직경 1μm, 길이 1mm 이상의 VGCF 제조에 성공했다.[27] 1980년대 초, 미국의 Tibbetts[6]와 프랑스의 Benissad[28]는 VGCF 제조 공정을 개선했다. R. Terry K. Baker는 미국에서 첨단 응용 분야에 사용될 탄소 나노섬유의 합성 및 특성을 심층 연구했는데, 이는 석유 처리 등 다양한 상업적 공정에서 탄소 나노섬유가 축적되어 발생하는 문제를 해결하고, 성장을 억제할 필요성 때문이었다. 1991년, NEC의 일본 연구원 이이지마 스미오는 속이 빈 탄소 분자를 합성하고 결정 구조를 결정했으며, 이듬해 이 분자는 "탄소 나노튜브"라고 처음 불렸다.[29] VGCNF는 VGCF와 본질적으로 동일한 제조 공정으로 생산되며, 직경은 일반적으로 200nm 미만이다. 현재 전 세계 여러 회사들이 탄소 나노섬유의 상업적 생산을 진행하고 있으며, 유출된 기름 제거를 위한 다공성 복합 탄소 나노섬유 개발 등 새로운 응용 분야가 집중적으로 연구되고 있다.[30]

참조

[1] 논문 The role of carbon nanofiber defects on the electrical and mechanical properties of CNF-based resins https://www.openacce[...]
[2] 서적 Carbon Fibers and Their Composites Taylor & Francis Group, CRC Press
[3] 논문 A review of the fabrication and properties of vapor-grown carbon nanofiber/polymer composites
[4] 논문 Carbon nanofibers for composite applications
[5] 서적 Carbon Materials for Advanced Technologies Pergamon (Elsevier Science Ltd.)
[6] 논문 Lengths of carbon fibers grown from iron catalyst particles in natural gas
[7] 문서 Method for Manufacturing Carbon Fibers by a Vapor Phase Process Japanese Patent
[8] 논문 Graphite Whiskers by New Process and Their Composites https://www.research[...]
[9] 논문 Nucleation and growth of carbon deposits from the nickel catalyzed decomposition of acetylene
[10] 논문 Carbon Nanofibers: Catalytic Synthesis and Applications
[11] 논문 Effect of embedding MgO and Al2O3 nanoparticles in the precursor on the pore characteristics of PAN based activated carbon nanofibers
[12] 논문 Epitaxial Growth of Aligned and Continuous Carbon Nanofibers from Carbon Nanotubes 2017-02-14
[13] 서적 Occupational Exposure to Carbon Nanotubes and Nanofibers https://www.cdc.gov/[...] National Institute for Occupational Safety and Health
[14] 논문 Carbon Nanotube and Nanofiber Exposure Assessments: An Analysis of 14 Site Visits
[15] 웹사이트 http://www.pyrografp[...]
[16] 웹사이트 Nanofibers: Uses and Applications of Nanofibers http://www.understan[...] 2017-11-27
[17] 논문 Fabrication of porous carbon nanofibers and their application as anode materials for rechargeable lithium-ion batteries
[18] 논문 Low-temperature growth of nitrogen-doped carbon nanofibers by acetonitrile catalytic CVD using Ni-based catalysts
[19] 논문 Electron Emission in Intense Electric Fields
[20] 논문 Scanning Probe Microscopy
[21] 논문 Tracking Gene Expression after DNA Delivery Using Spatially Indexed Nanofiber Arrays
[22] 논문 Carbon Nanofiber–Polystyrene Composite Electrodes for Electroanalytical Processes
[23] 웹사이트 Nanosized carbon material-activated carbon composite https://www.google.c[...]
[24] 문서 Manufacture of Carbon Filaments US Patent
[25] 논문 О Структуре Углерода, Образующегося При Термическом Разложении Окиси Углерода На Железном Контакте http://nanotube.msu.[...] 2017-02-16
[26] 논문 Filamentous growth of carbon through benzene decomposition
[27] 논문 Structure and Growth Process of Vapor-Grown Carbon Fibers
[28] 논문 Formation de fibres de carbone a partir du methane: I Croissance catalytique et epaississement pyrolytique
[29] 논문 Helical microtubules of graphitic carbon
[30] 문서 Nanocarbon-activated carbon composite US Patent


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