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탄소 나노튜브

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목차

1. 개요

탄소 나노튜브는 탄소 원자로 구성된 나노미터 크기의 튜브로, 1950년대에 처음 관찰되었으나 1991년 이지마 스미오에 의해 아크 방전된 흑연 막대에서 다중벽 탄소나노튜브가 발견되면서 연구가 본격화되었다. 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)와 다중벽 탄소나노튜브(MWNT)로 나뉘며, 구조에 따라 금속성 또는 반도체 특성을 나타낸다. 탄소 나노튜브는 뛰어난 기계적, 전기적, 열적, 광학적 특성을 지니며, 아크 방전, 레이저 증착, 화학 기상 증착법(CVD) 등의 방법으로 합성된다. 다양한 분야에 응용되고 있으나, 독성 문제에 대한 연구도 진행 중이다.

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탄소 나노튜브
탄소 나노튜브
탄소 나노튜브
탄소 나노튜브
일반 정보
종류단일벽 탄소 나노튜브
다중벽 탄소 나노튜브
이중벽 탄소 나노튜브
구조 및 특성
구조나노 크기의 원통형 구조를 가진 탄소 동소체
특징높은 강도
높은 전기 전도성
높은 열 전도성
화학화학적 성질
생산
합성다양한 합성 방법
제조아크 방전법
레이저 증착법
화학 기상 증착법
응용
분야다양한 분야에 응용
잠재적 응용에너지 저장
전자 기기
복합 재료
바이오 센서
관련 정보
같이 보기풀러렌
탄소 양자점
탄소 동소체
타임라인탄소 나노튜브 연구 역사

2. 역사

1952년, 소련의 과학자 L. V. Radushkevich와 V. M. Lukyanovich는 ''러시아 물리화학 저널''에 지름 50나노미터의 탄소 튜브 이미지를 발표했다.[239] 그러나 이 발견은 러시아어로 발표되었고, 냉전으로 인해 서구 과학자들은 소련 언론에 접근하기 어려웠기 때문에 주목받지 못했다.[2]

1976년, CNRS의 엔도 모리노부(Morinobu Endo) 박사는 화학 기상 증착 기술로 합성된 롤업된 흑연 시트의 속이 빈 튜브를 관찰했다.[243] 이는 후에 단일벽 탄소 나노튜브(SWNT)로 알려지게 되었다.[3] 엔도 박사는 대량 생산되는 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)와 밀접한 관련이 있는 VPGCF 기술을 개발하여, "Endo 공정"이라고 불리기도 한다.[3][5]

1979년, John Abrahamson은 펜실베이니아 주립대학교에서 열린 제14차 탄소 컨퍼런스에서 탄소 나노튜브의 증거를 제시했다. 그는 탄소 나노튜브를 아크 방전 중 탄소 양극에서 생성된 탄소 섬유로 설명하고, 그 특성과 저압 질소 환경에서의 성장 가설을 제시했다.[6]

1981년, 소련 과학자 그룹은 일산화탄소의 열촉매 불균등화로 생성된 탄소 나노입자의 화학적, 구조적 특성 분석 결과를 발표했다. 이들은 TEM 이미지와 XRD 패턴을 통해 "탄소 다층 관상 결정"이 그래핀 층을 원통형으로 말아서 형성되었다고 제안하며, 원형 배열(암체어 나노튜브)과 나선형 배열(키랄 튜브) 두 가지 가능성을 제시했다.[7]

1987년, Hyperion Catalysis의 Howard G. Tennent는 "약 3.5~70나노미터 사이의 지름, 지름의 102배인 길이, 질서 정연한 탄소 원자의 여러 층으로 이루어진 외부 영역과 뚜렷한 내부 코어"를 가진 "원통형 불연속 탄소 섬유" 생산에 대한 미국 특허를 받았다.[8]

1991년, NEC의 이지마 스미오(Iijima Sumio) 박사가 아크 방전된 흑연 막대의 불용성 물질에서 다중벽 탄소 나노튜브를 발견하면서 탄소 나노튜브 연구에 큰 진전이 있었다.[240] 또한, Mintmire, Dunlap, White는 단일벽 탄소 나노튜브의 놀라운 전도 특성을 예측했다.[245] 이후, 이지마 박사와 이치하시(Ichihashi), IBM의 Bethune 등이 아크 방전에서 탄소에 전이 금속 촉매를 추가하여 ''단일벽'' 탄소 나노튜브를 생산하는 방법을 독립적으로 발견하면서 연구가 가속화되었다.[241][242] Thess 등[252]은 고온로에서 탄소/전이 금속 조합을 기화시키는 촉매 방법을 개선하여 SWNT의 수율과 순도를 크게 향상시켰다.

2020년, 인도 타밀나두주 키자디(Keezhadi)의 고고학 발굴 조사 중 발견된 약 2600년 된 토기 코팅에서 탄소 나노튜브가 발견되었다. 과학자들은 나노튜브의 강력한 기계적 특성 덕분에 코팅이 오랜 시간 동안 유지될 수 있었다고 추정한다.[10]

3. 구조

탄소 나노튜브는 기본적으로 그래핀(흑연) 시트를 말아 올린 형태를 하고 있으며, 양 끝은 풀러렌의 반구와 같은 구조로 닫혀 있는 경우 5원환을 반드시 6개씩 갖는다. 5원환의 수가 적기 때문에 유기 용매 등에는 잘 녹지 않는다. 7원환이 포함되는 경우 내경이 커질 수 있기 때문에 두께가 다른 탄소 나노튜브가 형성되고, 8원환에서는 가지 형태의 구조도 만들어낼 수 있다고 생각된다. 튜브는 원통 모양의 구조이기 때문에 캡을 태우는 등의 방법으로 내부에 다양한 물질을 포함시킬 수 있다.[257] 탄소나노버드[258][259]라는 형태도 이론적으로 예측되고 있다.

지그재그 탄소나노튜브, (8, 0) 배열


암체어 탄소나노튜브, (4, 4) 배열


섬유상으로 잘라 펼친 탄소 나노튜브의 모식도


키랄 구조의 거울상 이성질체를 정의하는 쌍(파란색 점)


탄소 나노튜브는 그래핀 격자 상에서 지그재그 경로와 암체어 경로 외에도, (n, m) 값에 따라 다양한 키랄성을 가질 수 있다.

3. 1. 단일벽 탄소나노튜브 (SWCNT)

탄소나노튜브의 기하학적 구조도. 암체어 튜브, 지그재그 튜브, 카이랄 튜브의 세 종류로 나뉜다.


이상적인(무한히 긴) 단일벽 탄소 나노튜브(SWCNT)는 무한한 원통형 표면에 그려진 규칙적인 육각형 격자로 표현될 수 있으며, 그 꼭짓점은 탄소 원자의 위치를 나타낸다.[11] 탄소-탄소 결합의 길이는 거의 고정되어 있기 때문에, 원통의 지름과 그 위에 원자의 배열에는 제약이 따른다.

단일벽 탄소나노튜브는 그래핀 시트를 어떻게 마느냐에 따라 구조가 달라지며, 이에 따라 특성도 달라진다. 그래핀 격자 상에서 지그재그 경로는 각 결합을 통과한 후 60도씩 좌우로 번갈아 회전하는 경로를 의미한다. 암체어 경로는 네 단계마다 60도 왼쪽으로 두 번 회전한 다음 오른쪽으로 두 번 회전하는 경로이다.

튜브를 따라 닫힌 지그재그 경로를 갖는 튜브를 '''지그재그형''' 또는 배열, 간단히 '''지그재그 나노튜브'''라고 한다. 튜브가 닫힌 암체어 경로로 둘러싸여 있다면 '''암체어형''' 또는 '''암체어 나노튜브'''라고 한다.

일반적인 나노튜브의 구조는, 어떤 원자 A를 통과하는 축에 평행한 절단으로 튜브를 열어 평면에 펼쳐서 설명할 수 있다. 이 띠는 그래핀 시트의 무한히 긴 띠와 일치하며, 원자 A의 두 반쪽은 띠의 반대쪽 가장자리에 있는 그래핀의 두 원자 A1과 A2 위에 놓인다. A1에서 A2로 이어지는 선은 원자 A를 통과하는 원통의 둘레에 해당하며, 띠의 가장자리에 수직이다.

그래핀 격자에서 A1과 같은 종류의 다른 원자 A2에 대해, A1에서 A2까지의 벡터는 '''n''' '''u''' + '''m''' '''v'''로 쓸 수 있다. 여기서 n과 m은 정수이고, '''u'''와 '''v'''는 그래핀 원자 A1을 결합 방향이 같은 가장 가까운 원자 두 개에 연결하는 일차 독립 벡터이다.[11] 이 정수쌍 (n,m)은 A2의 가능한 위치를 정의하며, 튜브의 '''타입'''이라고 한다.

(n, m) 타입 대신 탄소 나노튜브의 구조는 벡터 '''w'''의 길이(나노튜브의 둘레)와 '''u'''와 '''w'''의 방향 사이의 각도 α로 지정할 수 있다.

탄소나노튜브는 기본적으로 균일한 평면의 흑연(그래핀 시트)를 말아서 원통형으로 만든 듯한 구조를 하고 있다.[257]

가장 기본적인 단일벽 탄소나노튜브(SWNT)의 표면은 그래핀 시트의 표면도와 같으며, 그래핀 시트의 기하학적 구조의 차이에 따라 세 종류의 탄소나노튜브가 존재한다. 그래핀 위의 어떤 6원환의 기준점으로부터의 2차원 격자 벡터를 '''카이랄 벡터'''라고 하며, 다음과 같이 표현된다.

: C_h=na_1+ma_2=(n,m)

이 벡터를 지수화한 (n,m)을 '''카이랄 지수'''라고 하며, 튜브의 지름과 나선각은 카이랄 지수에 의해 결정된다. 튜브의 지름 d는 다음과 같다.

: d=\frac{a}{\pi} \sqrt{(n^2 + nm + m^2)}

나노튜브의 축에 직각인 경우를 암체어 튜브 (n,n), 축에 평행한 경우를 지그재그 튜브 (n,0), 그 이외의 나노튜브를 카이랄 튜브라고 부른다.

SWNT는 카이랄 지수에 따라 금속형과 반도체형으로 나뉘며, n-m이 3의 배수인 경우 금속형이며, 3의 배수가 아닌 경우 반도체의 특성을 나타낸다.[260][261]

3. 2. 다중벽 탄소나노튜브 (MWNT)

여러 겹의 그래핀 시트가 동심원 형태로 겹쳐진 탄소 나노튜브를 말하며, 일반적으로 금속성 특성을 나타낸다.

4. 종류

둘 이상의 나노튜브 접합은 이론적으로 널리 거론되고 있다.[322][323] 높은 전도성과 큰 표면적(폐쇄 상태에서 1000m2/g, 개방 상태에서 2000m2/g[269]) 때문에 연료전지로의 응용도 진행되고 있다. 탄소 나노튜브(CNT)는 내부에 원통형의 중공 공간을 가지고 있기 때문에 다양한 분자를 내포시킬 수 있다. 또한, 얇은 두께로 인해 페이퍼 배터리 형태도 고려되고 있다.

단층 탄소나노튜브는 현저한 비표면적을 가지고 있으며, 표면에 극미량의 가스가 흡착하기만 해도 물성이 크게 변화한다. 이에 따라 고감도 가스 센서 등으로의 응용이 기대된다.[270]

5. 특성

탄소 나노튜브(CNT)는 인장 강도와 탄성률 면에서 현재까지 발견된 물질 중 가장 강하고 단단한 물질이며, 이는 탄소 원자들 사이에 형성된 sp2 공유결합 때문이다.

탄소 나노튜브 다발의 주사 전자 현미경 이미지


세 겹 팔걸이의자형 탄소 나노튜브


지름별로 분리된 CNT


탄소 나노튜브는 다음과 같은 특성을 갖는다.

  • 전기장을 걸면 5원환에서 전자가 방출되기 때문에 FED[271], 평면형광관, 냉음극관의 음극 소자로 응용될 수 있다. X선 발생원으로의 응용 연구도 진행되고 있다.
  • 슈퍼그로스 CVD법을 이용하여 이중층 탄소나노튜브를 디스플레이용 전극 기판에 직접 성장시킴으로써 균일한 전자 방출 특성을 나타낸다. 이에 따라 탄소나노튜브 디스플레이(Carbon Nanotube Display)와 같은 FED의 응용이 기대된다.[272]
  • 나노튜브 섬유를 슈퍼그로스 CVD법을 이용하여 브러시 모양으로 구조화함으로써 반사율 0.045%라는 세계에서 가장 우수한 회색체(검은 물질)를 만들 수 있다. 이 물질은 탄소나노튜브 흑체(Carbon Nanotube Blackbody)라고 불린다.[273]
  • 나노미터 크기의 1차원 물질이기 때문에 원자간력현미경의 탐침이나 나노 핀셋 등에도 응용될 수 있다. CNT 탐침을 이용한 광디스크의 나노핏 형상 측정 등 미래의 100GB 이상의 나노 광디스크 응용도 고려되고 있다.[274]

5. 1. 기계적 특성

탄소 나노튜브는 인장 강도와 탄성률 면에서 현재까지 발견된 물질 중 가장 강하고 단단한 물질이다. 이는 탄소 원자들 사이에 형성된 sp2 공유결합 덕분이다. 2000년, 다중벽 탄소 나노튜브는 63기가파스칼의 인장 강도를 갖는 것으로 실험을 통해 밝혀졌다. 이후 2008년 실험에서는 각각의 탄소 나노튜브 껍질들이 100기가파스칼 이상의 강도를 갖는다는 것이 밝혀졌다. 탄소 나노튜브는 고체 상태에서 1.3~1.4g/cm3의 낮은 밀도를 가지기 때문에, 48,000 kN·m·kg-1의 비강도를 가진다. 이는 154 kN·m·kg-1의 비강도를 갖는 고탄소강보다 훨씬 높은 수치이다.

탄소 나노튜브의 구조는 (n, m) 형태로 나타낼 수 있으며, m > 0 이고 m ≠ n인 경우 키랄성을 가진다. 키랄성이 없는 나노튜브는 (k,0) "지그재그" 튜브와 (k,k) "암체어" 튜브 뿐이다.

가장 얇은 탄소 나노튜브는 직경이 0.3 nm인 (2,2)형 암체어 구조이다. 가장 얇은 ''독립형'' 단일벽 탄소 나노튜브는 직경이 약 0.43 nm이다.[13]

다층 탄소 나노튜브는 영률은 0.9TPa, 비강도는 최대 150GPa이다. 단층 탄소 나노튜브는 반도체가 되며, 매우 고탄성으로 파괴되기 어렵고, 뛰어난 열전도성 등 다층 탄소 나노튜브와는 다른 특성을 지닌다. 영률은 1TPa 이상, 비강도는 구조에 따라 다르지만 13~126GPa이다.

5. 2. 전기적 특성

탄소 나노튜브(CNT)는 구조에 따라 금속 또는 반도체 특성을 나타낸다. 이는 튜브를 구성하는 탄소 원자의 배열 방식, 즉 (n, m) 값에 따라 달라진다.[11] 예를 들어, (k, 0) 형태의 지그재그 튜브는 2k개의 원자로 된 닫힌 지그재그 경로를 가지며, (k, k) 형태의 암체어 튜브는 4k개의 원자로 된 닫힌 암체어 경로를 가진다.[11]

CNT는 밴드갭과 전기전도율이 구조에 따라 변화하기 때문에 실리콘을 대체할 차세대 반도체 재료로 주목받고 있다.[262] 특히, 구리보다 훨씬 높은 전류 밀도를 견딜 수 있어 집적회로 등에 응용될 가능성이 크다.[263]

CNT는 다음과 같은 전기적 특성을 가진다.

  • 구리의 1,000배 이상 높은 전류 밀도를 견딜 수 있다.[262]
  • 구리의 10배 높은 열전도 특성을 갖는다.[262]
  • 트랜지스터 채널에 사용함으로써 고속 스위칭 소자로 사용될 수 있다. (P형 반도체 특성)[263]


금속형 CNT와 반도체형 CNT를 분리하는 방법으로는 과산화수소수,[264] 아가로스 겔[265], 칼럼 크로마토그래피[266][267] 등이 사용된다. IBM에서는 도전성 CNT를 태워 없애는 방식으로 반도체 CNT를 분리하여 프로세서에 응용하는 연구를 진행하기도 했다.[268]

CNT는 전계방출 디스플레이(FED),[271] 형광표시관, 냉음극관의 음극 소자, X선 발생원 등으로도 활용될 수 있다. 또한, 슈퍼그로스 화학 기상 증착법(CVD)을 이용해 만든 탄소나노튜브 디스플레이(Carbon Nanotube Display)[272]와 탄소나노튜브 흑체(Carbon Nanotube Blackbody)[273]도 개발되었다.

5. 3. 열적 특성

탄소 나노튜브는 열전도율이 매우 뛰어나며, 열 안정성(Thermal stability영어)이 높아 고온에서도 안정적으로 작동한다.

5. 4. 광학적 특성

탄소 나노튜브(CNT)는 빛을 흡수하고 방출하는 독특한 광학적 특성을 가져 여러 분야에 응용될 수 있다. 특히 형광 특성을 이용해 바이오센서 등에 활용할 수 있다.[271][272]

  • 전기장 방출: 전기장을 걸면 탄소 나노튜브의 5원환에서 전자가 방출되는 특성을 이용, FED, 평면형광관, 냉음극관의 음극 소자로 응용하는 연구가 진행되고 있다. X선 발생원으로의 응용 연구도 진행 중이다.[271]
  • 디스플레이 전극: 슈퍼그로스 CVD법으로 이중층 탄소 나노튜브를 디스플레이용 전극 기판에 직접 성장시키면 균일한 전자 방출 특성을 보인다. 이는 탄소나노튜브 디스플레이와 같은 FED 응용에 활용 가능하다.[272]
  • 탄소 나노튜브 흑체: 나노튜브 섬유를 슈퍼그로스 CVD법으로 브러시 모양으로 구조화하면 반사율이 0.045%인 세계 최고 수준의 흑체(검은 물질)를 만들 수 있다. 이를 탄소나노튜브 흑체라 부른다.[273]
  • 탐침 및 나노 핀셋: 탄소 나노튜브는 나노미터 크기의 1차원 물질이므로 원자간력현미경의 탐침이나 나노 핀셋 등으로 응용될 수 있다. CNT 탐침을 이용한 광디스크의 나노핏 형상 측정은 미래 100GB 이상 나노 광디스크 응용에 활용될 수 있다.[274]

6. 합성 방법

다중벽 탄소나노튜브(MWNT)는 여러 겹의 그래핀 층으로 구성되며, 러시아 인형 모델이나 양피지 모델로 설명할 수 있다. 러시아 인형 구조가 더 일반적이며, 각 껍질은 금속성 또는 반도체성일 수 있는 단일벽 탄소나노튜브(SWNT)로 설명될 수 있다.[251][246] 껍질 중 하나는 제로 갭 금속이 될 확률이 높다.[21]

이중벽 탄소나노튜브(DWNT)는 SWNT와 유사하지만 화학적 저항성이 더 크다.[22] DWNT는 표면 기능화를 통해 특성을 추가할 때 유리하며, 외부 벽만 변형된다. DWNT 합성은 메탄과 수소에서 산화물 용액의 선택적 환원을 통해 CCVD 기법으로 가능하다.[23]

내부 껍질의 망원경 운동 능력은 나노 베어링과 나노 스프링 역할을 가능하게 하여 나노전기기계 시스템(NEMS)에 유용하다.[24] 후퇴력은 껍질 사이의 렌나드-존스 상호작용에 의해 발생하며, 약 1.5nN이다.[25]

6. 1. 아크 방전법

아크 방전법은 흑연 전극에 높은 전압을 가하여 아크 방전을 일으켜 탄소나노튜브를 합성하는 방법이다. 비교적 간단한 방법이지만, 대량 생산에는 어려움이 있다.[240]

  • 흑연 전극을 아크 방전으로 증발시키면, 음극 침착물에 다중벽 탄소나노튜브(MWNT)가 포함된다. 이때의 분위기 기체는 He, Ar, CH₄, H₂ 등이다.
  • 금속 촉매를 포함하는 탄소 전극을 아크 방전으로 증발시키면, 단일벽 탄소나노튜브(SWNT)를 얻을 수 있다. 금속으로는 Ni, Co, Y, Fe 등이 있다.[241][242]
  • 이 방법에서, 양극과 음극에 미세 진동을 연속적으로 가하는 물리적 진동법이 있다. 이를 통해 나노튜브의 순도와 단위 시간당 생성량을 획기적으로 높일 수 있다.[293]


아크 방전과 화학 기상 증착법으로 제조된 샘플에서 탄소 나노튜브 접합부가 매우 자주 관찰된다.[26][27]

6. 2. 레이저 증착법

레이저 증착법은 레이저를 이용하여 흑연을 증발시켜 탄소 나노튜브를 합성하는 방법이다. 이 방법을 사용하면 고순도의 탄소나노튜브를 얻을 수 있지만, 생산 비용이 높다는 단점이 있다.[252]

6. 3. 화학 기상 증착법 (CVD)

화학 기상 증착법(CVD)은 탄소 함유 가스를 고온에서 분해하여 촉매 금속 표면에 탄소 나노튜브를 성장시키는 방법이다. 1976년 CNRS의 엔도 모리노부(Morinobu Endo)는 화학 기상 증착 기술로 합성된 롤업된 흑연 시트의 속이 빈 튜브를 관찰했는데,[243] 이는 나중에 단일벽 탄소 나노튜브(SWNT)로 알려지게 되었다.[3] 오늘날 대량 생산되는 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)는 Endo가 개발한 VPGCF와 밀접한 관련이 있으며, 그의 초기 연구와 특허에 대한 존경심으로 "Endo 공정"이라고 불린다.[3][5]

CVD 방법은 대량 생산에 유리하며, 다양한 형태의 탄소 나노튜브를 합성할 수 있다. CVD법의 종류에는 DIPS 법, CoMoCAT 법, HiPCO 법, 슈퍼그로스 CVD 법 등이 있다.

이 중 DIPS법은 촉매 및 반응 촉진제를 포함하는 탄소 함유 원료를 스프레이 등으로 분무하여 고온의 가열로에 도입함으로써 단층 탄소나노튜브를 유동하는 기상 중에서 합성하는 방법으로, 스케일업과 연속 운전이 가능하다. 산업기술종합연구소(AIST)와 니키소(日機装)[295]가 새롭게 개량한 DIPS법은 SWNT의 직경을 0.1nm 단위로 정밀하게 제어할 수 있으며, 종래에 비해 촉매 이용 효율 3,900%, 생산성 100배 향상, 방사 및 제막화를 가능하게 한다. SWNT의 순도는 약 97.5%이다.[296]
한국에서는 CVD 방법을 개량하여 고품질의 탄소나노튜브를 대량 생산하는 기술이 개발되고 있다.

6. 3. 1. CoMoCAT 법

CoMoCAT 법은 CVD법의 일종으로 유동층 반응로를 이용한 일산화탄소(CO) 불균일 반응을 통해 단일벽 탄소나노튜브(SWNT)를 제작하는 방법이다. 이 방법은 직경 1nm 이하를 중심으로 매우 좁은 직경 분포를 가진 단층 탄소나노튜브를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 촉매로는 코발트(Co)와 몰리브데넘(Mo)을 사용하며, 그 비율에 따라 카이랄성을 제어하여 합성할 수 있다. 또한, 규모 확대가 가능하다는 특징이 있다.[297]

사우스웨스트 나노 테크놀로지스사에서 제조 및 판매하고 있으며, 일본에서는 시험 연구용 크기를 알드리치를 통해 구입할 수 있다.

HiPCO법과 함께 표준 시료 중 하나로 사용된다.

6. 3. 2. HiPCO 법

HiPCO 법은 고압 일산화탄소를 사용하는 방법[299]이다. CVD법의 일종으로, 펜타카보닐철(Fe(CO)5)을 촉매로 사용하여 일산화탄소를 고압에서 열분해하여 고순도의 비교적 작은 직경(1nm 전후)의 SWNT를 얻는다.

  • [http://www.unidym.com/index.html Unidym]에서 시판되고 있으며, 일본에서는 스미토모상사를 통해 구입할 수 있다.
  • 나노튜브 물성 연구에 있어 표준 시료이다. 순도는 95~70%[300]이다.

6. 3. 3. 슈퍼그로스 CVD 법

산업기술종합연구소 나노카본 연구센터의 하타 켄지(畠賢治), 이이지마 스미오(飯島澄男) 등이 슈퍼그로스 CVD법[301]을 발표하였다.[302] 이 방법은 CVD법의 일종으로, 일반적인 기상 합성 분위기에 극미량의 수분을 첨가하여 촉매의 활성과 수명을 크게 개선함으로써 고효율, 고순도의 단층 탄소나노튜브를 얻을 수 있다. 이 합성법에 의한 성장 속도는 다음 수식으로 나타낼 수 있다.

:H(t) = \beta\tau_o (1 - e^{-t / \tau_o})

여기서 β는 성장 상수로 207 μm/분, \tau_o는 촉매 특성 시간[303]이다.

슈퍼그로스 CVD법은 촉매 효율 면에서 레이저 어블레이션법에 비해 100배, 시간 효율 면에서는 2004년 발표 당시 실험에서 두께 2.5mm의 SWNT 박막을 형성하는 데 불과 10분밖에 걸리지 않았다. 순도는 99.98% 이상[304]이며, 표면적은 폐쇄 상태 1000m2/g, 개방 상태 2000m2/g, 무게 밀도는 박막에서 0.037g/cm3[269], 고체에서 0.55g/cm3으로 매우 높다.[275][305] 기존에는 HiPco법에서 5~30%, 일반적인 CVD법에서 3~15%의 촉매 금속이나 비정질 탄소와 같은 고밀도 불순물이 포함되어 있었지만, 이 제조 방법에서는 고밀도 고체 형태에서도 매우 가볍다. 또한 촉매 조작으로 SWNT 박막뿐 아니라 DWNT 박막 및 MWNT 박막의 형성도 가능하다. 나노튜브의 직경에 따라 함량 비율이 달라지며, SWNT와 거의 동등한 순도의 박막을 형성할 수 있다.[272]

이 기술은 순도 등의 문제와 함께 양산이 어려웠던 탄소나노튜브의 대량 생산을 실현하는 기술로 평가받는다. 또한, 배향성이 높아 꽃잎과 같은 구조체를 성장시키는 것도 가능하다. 이 방법으로 합성된 탄소나노튜브는 기판 위에 싹튼 무순처럼 위쪽으로 빽빽하게 성장한다. 이러한 배향성을 이용하여 탄소나노튜브 흑체 등이 AIST에 의해 제작되고 있으며, 샘플은 AIST[306]에서 제공하고 있다.

6. 4. 정제

탄소 나노튜브는 합성 과정에서 다양한 불순물이 섞일 수 있다. 이러한 불순물은 탄소 나노튜브의 특성을 저하시키므로, 정제 과정을 통해 제거해야 한다. 정제 과정에서는 다른 형태의 탄소나 비탄소 불순물(금속 촉매 등)을 제거한다. 과산화수소수나 아가로스겔을 이용하여 금속형/반도체형 탄소 나노튜브를 분리할 수 있다.

7. 응용 분야

모든 탄소 나노튜브는 튜브 축을 따라서는 탄도전도 특성을 보이며 매우 우수한 열전도체로 작용하지만, 튜브 축에 수직 방향으로는 좋은 절연체이다.[248][249] 단일벽 탄소 나노튜브(SWNT)는 상온에서 축 방향으로 구리보다 높은 열전도율(약 3500 W·m−1·K−1)을 가지지만,[73] 축에 수직 방향으로는 열전도율(약 1.52 W·m−1·K−1)이 토양과 비슷하다.[74] 탄소 나노튜브 집합체는 최대 1500 W·m−1·K−1의 열전도율을 보였으며, 불순물, 정렬 불량 등에 따라 열전도율이 달라진다.[76] 탄소 나노튜브는 진공에서 최대 2800 °C, 공기 중에서 약 750 °C까지 안정적이다.[77] 결정학적 결함은 포논 산란을 유발하여 열전도율을 감소시킨다.[78]

나노 테이프


탄소 나노튜브는 현재 배터리 부품, 폴리머 복합재, 고흡수성 검정 페인트(예: 서레이 나노시스템즈의 밴타블랙) 등에 사용되고 있다.[194] 또한, 원자간력 현미경 탐침용 팁으로도 사용된다.[196] "게코 테이프"(나노 테이프)는 탄소 나노튜브 어레이를 이용하여 가벼운 물건을 벽에 붙이는 데 사용된다.[195]

학계와 산업계에서는 다음과 같은 응용 분야가 연구 개발 중이다.

  • 아스팔트 및 역청: 도로 포장 시험 구간에서 균열 및 요철 저항성을 높여 재료 수명을 연장하는 것으로 나타났다.[200]
  • 나노 복합재료: 수지의 전기 전도도를 높이고, 굽힘 특성 향상 및 열 분해를 지연시킨다.[201]
  • 적층 제조: 기계적 및 전기적 특성이 향상된 복잡한 구조를 생성하는 데 사용된다.[202]
  • 자기 조직화 나노 구조에서 에너지 소산.[205]
  • 잭 안드라카는 췌장암 검사에 탄소 나노튜브를 사용했다.[207]


탄소 나노튜브의 강도와 유연성은 다른 나노 구조물을 제어하는 데 유용하여 나노기술 공학에서 중요한 역할을 할 수 있다.[225] 단일 다중벽 탄소 나노튜브의 최고 인장 강도는 63 기가파스칼(GPa)로 측정되었다.[45] 17세기 다마스커스 강에서 탄소 나노튜브가 발견되기도 했다.[226][227]

순수 탄소 나노튜브는 대량으로 자립형 시트 또는 필름으로 만들 수 있으며,[232][233] 습식 방사를 통해 탄소 나노튜브 섬유(필라멘트)를 만들 수도 있다.[234] 이 섬유는 실로 만들어 전기 전도성 실을 제작할 수 있다. 개별 탄소 나노튜브 섬유의 전기적 특성은 2차원 구조에 의해 결정되며, 금속 도체보다 약간 높은 저항률을 갖는다.[229][235] 탄소 나노튜브 기반 실은 권선 재료로 구리를 대체할 수 있다.[237][238]

7. 1. 전자 소자

탄소 나노튜브는 뛰어난 전자적 특성 덕분에 다양한 전자 소자 분야에서 활용될 잠재력이 크다. 특히 전극 재료, 리튬 이온 배터리 음극재, 전계 효과 트랜지스터(FET) 등에 적용되어 성능 향상을 이끌어낼 수 있다.

  • 배터리: 탄소 나노튜브는 리튬 이온 배터리의 음극재로 사용되어 배터리 수명과 용량을 크게 향상시킬 수 있다. 반복되는 충전과 방전에도 전극의 열화를 줄여주고, 전자 수송 능력이 높은 금속성 탄소 나노튜브를 사용하면 성능을 더욱 개선할 수 있다.[215]
  • 트랜지스터: 탄소 나노튜브는 전계 효과 트랜지스터(FET)의 채널 재료로 활용되어 전자 소자의 소형화에 기여할 수 있다.[203] 2001년에는 탄소 나노튜브 FET를 사용한 최초의 분자간 논리 게이트가 개발되기도 했다.[231] IBM은 2020년까지 집적 회로에 탄소 나노튜브 트랜지스터가 사용될 것으로 예상했다.[214]
  • 기타 응용: 탄소 나노튜브는 반도체 리소그래피에서 펠리클로 사용되기도 한다.[210]


이 외에도 탄소 나노튜브는 다음과 같은 분야에서 활용될 가능성이 있다.

  • 웨어러블 전자 기기 및 5G/6G 통신: 단일벽 탄소 나노튜브(SWCNT) 전극은 우수한 전기화학적 특성과 유연성을 나타낸다.[198][199]

7. 2. 복합 재료

탄소 나노튜브는 고강도 경량 소재, 방열 소재, 전자파 차폐 소재 등 다양한 복합 재료로 활용될 수 있다.[212][213] 특히, 탄소 나노튜브는 강철의 20배에 달하는 강도와 알루미늄의 절반에 해당하는 가벼움을 지녀, 궤도 엘리베이터의 로프 재료로 사용될 가능성이 기대된다.[269]
탄소 나노튜브 복합재료의 활용 예시

분야활용 예시
스포츠 용품이스턴-벨 스포츠는 자이벡스 퍼포먼스 머티리얼스와 협력하여 자전거 부품(핸들바, 크랭크, 포크 등)에 탄소 나노튜브 기술을 적용하고 있다.[194] 암로이 유럽은 탄소 나노튜브를 에폭시 수지에 결합한 하이브토나이트를 제조하여 풍력 터빈, 선박 페인트, 스키, 아이스하키 스틱 등 다양한 스포츠 용품에 활용하고 있다.[194]
자동차 및 항공 우주 산업탄소 나노튜브는 자동차 부품, 항공기, 우주선 등 기존 물질로는 불가능한 구조물에 응용될 수 있다.[212][213] 보잉은 항공기 구조 건전성 모니터링을 위한 탄소 나노튜브 사용 특허를 보유하고 있다.[208] 지벡스 테크놀로지스는 탄소 나노튜브 기술을 활용하여 54피트 길이의 해양 선박인 피라냐 무인 수상함을 건조했다.[209]
건축하이퍼 빌딩이나 대형 교량용 케이블 등에 활용될 수 있다.[212][213]
기타나노 테이프(게코 테이프)는 합성 센털로 구성된 탄소 나노튜브 어레이를 이용하여 벽에 가벼운 물건을 걸 수 있게 해준다.[195]


한국의 연구 개발 동향한국에서는 탄소 나노튜브 복합재료를 이용하여 자동차, 항공기, 건축물 등의 경량화 및 성능 향상을 위한 연구가 활발히 진행 중이다.

7. 3. 바이오/의료

탄소나노튜브(CNT)는 넓은 표면적 덕분에 약물, 유전자, 백신, 항체, 바이오센서 등 다양한 치료 및 진단 물질과 결합할 수 있다.[138] 이러한 특징은 세포에 직접 약물을 전달하는 시스템에 활용될 수 있다. 또한 탄소나노튜브는 탄성 계수가 높고 하중 전달 능력이 뛰어나 임플란트 및 스캐폴드의 보강재로 사용되기도 한다.[139][140]

생체의학에서 탄소나노튜브의 응용 개략도


탄소나노튜브는 골아세포 부착, 증식, 분화를 촉진하는 생체 활성 코팅 효과를 높여 뼈 대체 물질로도 사용된다.[141] 또한, 임플란트 및 의료용 스캐폴드에 사용되는 키토산 함유 코팅의 보강재로 활용될 수 있다.[142]

단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)는 생체 분자와 비슷한 크기이며, 표면적 대 부피 비율이 커 화학적 환경 변화에 민감하다.[143][144] 공유 결합 및 비공유 결합 표면 기능화를 통해 SWCNT는 특정 분석 물질과 선택적으로 상호작용하도록 만들 수 있다.[145] SWCNT는 이러한 상호작용을 광학적 또는 전기적 신호 변화로 변환하는 역할을 한다.

SWCNT를 이용한 광학 바이오센서. (생체)폴리머로 SWCNT를 기능화하면 다양한 분자를 위한 나노센서가 된다.


SWCNT를 이용한 바이오센서는 활성 산소 및 질소 종[149][150][151][152], 신경 전달 물질[148][153][154][155][156], 기타 작은 분자[157][158][159], 지질[160][161], 단백질[162][163], 당[164][165], DNA/RNA[166][167], 효소[168][169], 박테리아[170] 검출 등에 활용된다. 신호 변화는 전류의 증가/감소(전기적)[144] 또는 형광 방출 강도/파장 변화(광학적)[145]로 나타난다. SWCNT 내 전하 흐름을 측정하는 전계 효과 트랜지스터(FET)는 민감한 측정을 위해 사용되며, 칩 상 통합 및 병렬화가 가능하여 여러 물질을 동시에 검출할 수 있다.[159]

반도체 SWCNT를 이용한 광학 검출은 근적외선(NIR)에서 엑시톤의 복사 재결합을 기반으로 하며, 생물학적 투명 창에서 검출하여 산란 및 자가 형광을 줄이고 신호 대 잡음비를 높인다.[175] SWCNT는 광 안정성[176]이 우수하여 장기간 센서로 사용 가능하며, 고밀도 코팅으로 화학적 이미징도 가능하다.[148][156]

미래 응용 분야로는 농업에서 식물 건강 모니터링[149][150][185], 바이오리액터 원격 제어, 신경 통신[186], 응고 장애[187], 당뇨병[165][188], 암[189], 미생물/바이러스 감염[170][190] 연구/진단, 의약품 효능 테스트[191], 스마트 임플란트를 이용한 감염 모니터링 등이 있다. 산업에서는 SWCNT가 이미 전자 코[192] 형태로 가스/냄새 검출 센서, 효소 스크리닝[193]에 사용되고 있다.

7. 4. 환경/에너지

탄소 나노튜브는 고효율 태양 전지, 수처리 필터, 대기 오염 물질 제거 등에 활용될 수 있다. 특히, 활성 표면적과 가스 흡수 능력이 뛰어나 환경 모니터링에 사용될 수 있다.[206]

CNT 강화의 항균 메커니즘 개략도


3차원 전탄소 스캐폴드/구조는 차세대 에너지 저장 장치, 슈퍼커패시터, 고성능 촉매,[228] 태양 전지 제작에 사용될 수 있다. 또한, CNT 기반 실은 이온 교환 막으로 코팅될 때 에너지 및 전기화학적 수처리 응용 분야에 적합하다.[236]

8. 안전성 및 윤리적 문제

다중벽 탄소나노튜브 다발이 폐포 상피세포를 관통하는 주사전자현미경 이미지


탄소 나노 튜브의 독성은 나노테크놀로지에서 중요한 문제로 2007년부터 연구가 시작되었지만, 아직 초기 단계이며 데이터는 단편적이고 주관적이다.[129][130] 샘플의 순도, 구조, 입도 분포, 표면, 표면화학, 표면 전류, 집합체 상태 등이 탄소 나노 튜브의 반응성에 큰 영향을 미치기 때문에 독성 평가가 어렵다. 그러나 특정 상황에서 탄소 나노 튜브는 염증이나 섬유증과 같은 해로운 효과를 유발할 수 있다는 연구 결과도 있다.[131]

초기 과학 연구에 따르면 나노 입자는 단위 질량당 상대적인 표면적 증가로 인해 벌크 재료보다 더 큰 건강 위험을 초래할 수 있다. 탄소나노튜브(CNT)의 길이와 직경의 증가는 독성 및 폐의 병리학적 변화와 상관관계가 있다고 알려져 있다.[132][133]

미국 국립 직업 안전 보건 연구소(NIOSH)는 탄소 나노튜브와 탄소 나노섬유에 대해 8시간 가중 평균(TWA) 호흡 가능 질량 농도로 배경 보정된 원소 탄소 기준으로 1 μg/m3의 비규제 권장 노출 한계 (REL)를 설정했다.[134]

2016년 10월, 단일벽 탄소 나노튜브(SWCNT)는 잠재적 위험 특성 평가를 기반으로 유럽 연합의 화학물질 등록, 평가, 승인 및 제한(REACH) 규정을 통해 등록되었으며, 최대 100톤까지 상용화가 허용된다.[136][137]

일본에서는 탄소 나노튜브의 발암성 가능성이 보고되면서, 후생노동성은 2015년까지 동물 실험을 통해 발암성이 인정된 탄소 나노튜브를 "노동자에게 암을 발생시킬 우려가 있는 위험 물질"에 추가할 방침을 정했다.[310] 또한, 특정 다층 탄소나노튜브는 "근로기준법 제28조 제3항의 규정에 근거하여 후생노동대신이 정하는 화학물질에 의한 건강장해를 예방하기 위한 지침" 대상 물질에 추가되었다.

에든버러 대학교의 케네스 노널드슨[308] 교수를 중심으로 한 연구 그룹은 2008년 5월 21일, 영국 과학 전문지 ""에 탄소 나노튜브, 특히 탄소 나노튜브 기술을 이용한 소재가 석면과 유사한 건강 피해를 초래하고, 폐암 등을 유발할 위험성이 높다는 연구 결과를 발표했다.[309]

탄소 나노튜브를 분말 형태로 수지 등에 혼합하여 사용한 제품이 폐기될 때, 수지는 타지만 탄소 나노튜브 분말은 타기 어려워 발암 물질로서 대기 중에 퍼져 건강 피해를 미칠 우려도 제기되고 있다.

2013년 기준, 일본에는 탄소나노튜브 취급에 관한 법 규제는 없지만, 취급자의 건강을 위해 NEDO(신에너지·산업기술종합개발기구), 기술연구조합 단층 CNT 융합 신소재 연구개발기구, 산업기술종합연구소 등에서 "안전성 시험 절차서"와 "작업 환경 측정 지침"을 작성했다.[311]

9. 기타 나노튜브

탄소 나노튜브 외에도 다른 물질로 만들어진 나노튜브가 다수 발견되었다. 대표적인 물질로는 탄소와 성질이 비슷한 원소인 규소나, 흑연과 같은 층상 구조를 갖는 BN, BC₂N, MS₂(M은 Mo, W, Nb 등의 금속)이 있다.[314] 또한, 합성화학적으로 탄소 나노튜브와 유사한 분자성 나노튜브를 합성한 사례도 있다.[315]

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