탄소나노튜브

탄소나노튜브

탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT)는 탄소 6개가 육각형을 이룬 흑연면(graphite sheet)이 관 모양으로 연결되어 있는 분자 사슬이다. 씨엔티(CNT)라고도 한다. 탄소나노튜브는 기계적 강도가 철보다 100배가량 뛰어나면서도 구리와 비슷한 수준의 높은 전기전도도를 지니고 있다. 또한, 높은 열전도율을 지니고 있으며, 분자 사슬이 말려있는 구조에 따라 금속 또는 반도체의 물리적 성질을 나타내기도 한다. 이러한 특성 덕분에 배터리, 반도체, 세라믹, 페인트, 코팅, 필름 등 다양한 분야에 성능을 향상하는 첨가제로 사용하고 있다.

하지만, 탄소나노튜브는 대량으로 균일한 생산을 하는 것이 어렵고, 설비투자비와 연구개발 비용이 높은데 반해 수요는 많지 않아 사업적 성과는 기대에 부흥하지 못하였다. 최근에는 고효율 소재에 대한 산업계의 요구가 높아짐에 따라 반도체, 배터리, 복합소재 분야를 중심으로 연구가 활발해 귀추가 주목되고 있다.

개요

탄소나노튜브는 원기둥 모양의 나노구조를 지니는 탄소의 동소체이다. 길이와 지름의 비가 132,000,000:1에 이르는 나노튜브도 만들어졌는데, 이는 지금까지 알려진 물질 중 가장 높은 값이다. 탄소 나노튜브는 여러 특이한 성질을 가지고 있어서 나노기술, 전기공학, 광학 및 재료공학 등 다양한 분야에서 유용하게 쓰일 수 있다. 특히 열전도율 및 기계적, 전기적 특성이 매우 특이하여 다양한 구조 물질의 첨가제로도 응용되고 있다. 예를 들면 (주로 탄소섬유로 만들어지는) 야구방망이나 골프채, 자동차 부품, 다마스쿠스 강에 탄소 나노튜브를 소량 첨가하기도 한다.

나노튜브는 풀러렌 계열의 구조를 지니며, 그래핀이라는 탄소 원자 한 층으로 이루어진 막을 벽으로 하며 길고 속이 빈 튜브 모양으로 만들어졌기 때문에 탄소 나노튜브라는 이름이 붙었다. 그래핀을 둥그렇게 마는 각도에 따라 다른 나노튜브가 만들어질 수 있는데, 이렇게 말리는 각도와 지름에 의해 금속이 될 수도 있고 반도체가 될 수도 있다. 나노튜브는 단일벽 나노튜브와 다중벽 나노튜브로 나눌 수 있다. 나노튜브는 판데르발스 힘에 의해 여러 가닥이 뭉쳐진 "로프" 형태로 정렬되는 경우가 많다.

나노튜브의 화학 결합은 흑연과 같은 sp² 결합만으로 구성된다. sp2 결합은 알케인이나 다이아몬드에서 볼 수 있는 sp3 결합보다 강하며, 나노튜브의 강도가 매우 높은 것도 이 때문이다. 1991년 일본 NEC 연구소의 이이지마 스미오 박사가 전자 현미경을 통해 처음 확인하였다.

탄소나노튜브는 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인 풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것：C60)을 처음으로 발견한 이후, 1991년 일본전기회사(NEC) 부설 연구소의 이이지마 박사가 전기방전시 흑연 음극상에 형성된 탄소 덩어리를 투과 전자 현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여 네이처 지에 처음으로 발표하였다. 탄소나노튜브에서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소 원자 3개와 sp² 결합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며, 이 튜브의 직경이 대략 수 나노미터(nanometer, nm) 정도로 극히 작기 때문에 나노튜브라고 부르게 되었다. 이 탄소나노튜브는 전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있다.

한국과학기술연구원(KIST)의 이재갑 박사가 탄소나노튜브는 원통형이 아닌 나선형임을 보였다. 즉, 단일벽탄소나노튜브(SWCNT)는 리본상 그래핀이 나선형으로 성장한 것이며, 다중벽탄소나노튜브(MWCNT)는 리본상 흑연이 나선형으로 성장하여 외견상 튜브처럼 보이는 것임을 고해상도투과전자현미경(HRTEM), 원자현미경(AFM) 관찰, X-ray분석 및 형성에너지 계산을 통해 밝혔다.

종류

왼쪽부터 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브

CNT는 벽을 이루고 있는 탄소 원자의 결합 수에 따라 구분한다. 우선 단일벽 나노튜브(single-wall nanotube)는 탄소 원자로 구성된 벽이 하나인 튜브 형태로 전기전도성, 열전도성이 가장 우수하다. 그러나 대량 합성이 어렵고, 가격이 높은 점이 산업화의 걸림돌이 되고 있다.

탄소원자로 구성된 벽이 두개인 이중벽 나노튜브(double-wall nanotube)는 전기 전도성과 기계적 특성이 뛰어나다. 다중벽 나노튜브(multi-wall nanotube)는 하나의 튜브에 탄소 원자로 구성된 벽이 여러 겹인 튜브 형태로 전기 및 열적 특성은 다소 떨어지나 기계적 특성이 우수하고 제조가 용이해 응용 범위가 넓다.

특성

기계적 성질

탄소 나노튜브는 인장 강도와 탄성률의 측면에서 지금까지 발견된 물질 중 가장 단단하고 강한 물질이며, 이는 탄소 원자들 사이에 형성된 sp² 공유 결합 때문이다. 2000년, 다중벽 탄소나노튜브는 63 기가 파스칼(GPa)의 인장 강도를 가지고 있다는 것이 실험을 통해 증명되었다. 이후 이어진 2008년의 실험에서, 각각의 탄소 나노튜브 껍질들은 100 GPa 이상의 강도를 가지고 있다는 것이 밝혀졌다.

이에 비해 실험적으로 판명된 단일벽 탄소 나노튜브는 640 GPa ~1 TPa 범위의 매우 높은 인장 탄성율과 150∼180 GPa의 높은 인장 강도를 가진다. 2008년에 실시된 연구에 따르면 개별 CNT 껍질은 양자/원자 모델과 일치하는 약 100 GPa의 높은 인장 강도를 가지고 있음이 밝혀졌다. 개별 CNT 껍질의 인장 강도는 매우 높지만, 인접 껍질과 튜브 사이의 약한 전단 상호 작용은 다중벽 탄소 나노튜브 및 탄소 나노 튜브 다발의 유효 인장 강도를 단 몇 GPa로 현저히 감소시킨다. 이러한 한계는 내부 껍데기와 튜브를 가교시키는 고 에너지 전자 조사를 적용하여 해결되었으며, 다중벽 탄소 나노튜브의 경우 약 60 GPa로 인장 강도를 효과적으로 증가시켰다.

탄소 나노튜브는 압축하의 조건에서는 기계적 성질이 강하지 않다. CNT의 중공 구조 및 높은 종횡비로 인해 압축, 비틀림 또는 굽힘 응력하에 놓이면 구부러지는 경향이 있다. 반경 방향에서의 CNT의 영률은 수 GPa 단위로 측정되어서 탄소 나노튜브가 반경 방향으로 매우 부드럽다는 것을 보여 주었다. 섬유 또는 섬유 응용 분야에서 비강도(specific strength)는 일반적인 섬유의 기계적 강도의 척도이다. 비강도는 재료의 강도(파괴 시 단위 면적당 힘)를 밀도로 나눈 값이며 SI 단위는 Pa·m³/kg 또는 N·m/kg이다. 밀도가 낮은 섬유는 높은 비강도를 가진다. 탄소 나노튜브의 밀도는 1.3~1.4 g/cm³로서 탄소강의 밀도인 7.85 g/cm3 보다 낮은 밀도를 가지기 때문에 탄소강의 비강도가 154 kN·m·kg-1인데 비하여 탄소 나노튜브의 비강도는 48,000 kN·m·kg-1의 높은 비강도를 보이고 있어서 비중이 알려진 물질 중에서 가장 우수한 비강도를 보인다.

탄소 나노튜브의 기계적인 특성은 철 및 알루미늄 보다 강하며, 금속 중에서 가벼운 금속인 알루미늄(2.0g/cm³)보다 가볍다. 일반 탄소섬유는 분자 구조의 1%만 변형돼도 끊기지만 탄소나노튜브는 15%가 변형돼도 견딘다. 탄소 나노튜브가 강철·다이아몬드·구리·섬유 등 산업용 소재의 패러다임을 완전히 바꿀 나노 시대의 핵심 소재로 꼽히는 이유가 된다.

전기적인 성질

전기적인 특성으로는 탄소 나노튜브의 축에 대해 감긴 형태(chirality)에 따라 금속(metallic) 혹은 반도체(semiconducting)의 특성을 다양하게 나타낸다. 금속성 탄소 나노튜브의 경우 구조적인 특성에 의해 전자가 산란되지 않고 길이 방향으로 잘 전달될 수 있다. 단일벽 탄소 나노튜브는 큰 음향양자(phonon)를 나타내며 이로 인해 열전도도가 6000 W/(m·K)로써 높은 값을 가진다. 탄소 나노튜브에 전기를 흘리면 LED(발광 다이오드)보다 효율이 100배 이상 높은 빛을 낸다.

탄소 나노튜브의 열전도율은 자연계에서 가장 뛰어난 다이아몬드와 같고, 인장력은 다이아몬드를 능가한다. 탄소 나노튜브는 구리와 같은 수준의 전기 전도율을 가지고 있다.

배터리

탄소 나노 튜브의 흥미로운 전자 성질들은 일반적으로 새로운 전극 재료, 리튬이온 배터리 용 음극으로서 특히 실험중인 배터리 분야에 희망을 보여주었다. 탄소 나노 튜브의 흥미로운 전기적 특성이 일반적으로 그들에게 새로운 전극 물질, 특히 음극으로 실험하면서 배터리 분야에서의 가능성을 보여 주고 있다. 이는 탄소 나노 튜브 등의 흑연계 복합에 의해 지금까지 관찰된 유일한 금속 리튬 전위에 근접하고, 불가역 용량에 적당한 비교적 높은 가역 용량을 필요로한다는 사실에 기인한다.

그들은 그 기능을 일반적으로 반복되는 충 방전에 의한 전지의 열화를 매우 효과적으로 경감할 뿐만 아니라 리튬 이온 배터리의 용량을 크게 개선하였다. 과학자들은 탄소나노튜브의 훌륭한 강도, 전도성, 그리고 낮은 밀도 뿐 아니라 아주 훌륭한 능력을 이용하는 것에서 매우 뛰어난 잠재력을 보고있다. 또한, 음극에서는 전자 수송력이 매우 높은 금속성 탄소 나노 튜브를 사용하여 향상시킬 수있다.

탄소나노튜브는 양면을 다 사용할 수 있는 수용력(300~600mA→1000mA)을 가지고있다. 한편, 대부분은 음극 재료로 사용되는 흑연은 이러한 리튬 배터리에 대해서 유일한 320mA의 능력을 보여 주었다. 탄소 나노 튜브를 합성/생성함으로써, 과학자들은 우수한 강도, 전도성, 낮은 밀도 뿐 아니라 이러한 탁월한 부분으로 많은 잠재력을 느낀다.

연구 성과

• 포스텍 노용영 교수팀은 페로브스카이트에 사용되는 납을 대신해 고순도 단일벽 탄소나노튜브를 혼합한 반도체 트랜지스터를 개발했다.
• 인하공전 이선우 교수는 서울대 전력연구소 임영택 박사, 김은민 박사와 공동연구를 통해 탄소나노튜브 이용한 배터리 저항체 개발에 성공했다. 인하공전 이선우 교수는 서울대 전력연구소 임영택 박사, 김은민 박사와 공동연구를 통해 탄소나노튜브 이용한 배터리 저항체 개발에 성공했다.
• 충북대는 탄소나노튜브를 적용한 플렉서블 배터리를 개발했다. 충북대 조중상 교수 연구팀은 고집적 탄소나노튜브 다발로 구성된 섬유에 산화철 입자를 균일하게 분산하여 섬유 형태로 만든 음극소재를 개발했다. 이 음극소재를 이용하여 유연하면서도 성능이 향상된 고효율의 플렉시블 배터리를 만드는 데 성공했다.

탄소 나노튜브의 합성

CNT 제조법은 아크 방전법(arc discharge)과 레이저 증발법(laser techniques), 그리고 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition; CVD)으로 크게 3종류로 구분된다. 아크 방전법과 레이저 증발법은 고체 상태의 탄소(carbon source)를 전기(arc)나 레이저(laser)를 사용하여 열분해(pyrolysis)시켜서 고온의 기체 상태의 카본으로부터 CNT를 제조하는 방법이고, CVD방식은 전이 금속 계열의 촉매(catalyst)를 이용하여 기체 상태의 카본(gaseous carbon)을 기질(substrate) 표면에서 성장시키는 방법이다.

탄소 나노 튜브의 정제

CNT를 생산할 때 필연적으로 발생하는 부산물은 CNT를 연구하는데 많은 혼란을 주며 복합 재료 제조 시 특성을 저하시킨다. 따라서 이를 제거하기 위하여 다양한 정제 방법들이 시도되었다.

일반적으로 많이 사용되는 표준 정제법(standard purification)은 크게 열처리(heat treatment), 환류 상태에서의 산 처리(refluxing in acid) 또는 초음파 조사를 동반한 산 처리(acid treatment with sonication) 및 원심분리/세척(centrifuge, washing)의 순서로 이루어져 있다. 단계별 정제 효과 및 조건을 살펴보면 열처리는 가열로(furnace)를 사용하여 산소를 흘려주면서 일반적으로 500 °C 이하의 온도에서 비정질(amorphous) 탄소 물질을 열분해시킨다. 열 처리 후 산 처리 과정을 통하여 촉매로 사용되고 난 후 시료에 잔류하는 전이 금속을 제거한다. 산 처리를 위해서 다양한 조합의 강산 혼합물(acid mixture)과 처리 방법이 시도되었다.

초기에는 20% 플루오린화 수소산(hyrdofluoric acid) 및 22% 질산(nitric acid)에서 각각 5시간 및 10시간 동안 환류(reflux) 처리하거나, 2∼3 M 농도의 질산에서 45 시간 동안 환류 처리하는 방법 등이 사용되었고, 최근에는 주로 염산에 열처리된 CNT를 넣고 초음파 처리(ultra-sonication)하는 방법이 사용된다.

산의 종류와 환류 (reflux) 시간 및 초음파(ultrasonication) 처리의 정도에 따라 정제 효율이 영향을 받으며 에너지가 과도하게 가해지면 SWNT의 경우는 나노 튜브가 절단되어 길이가 짧아지거나 MWNT의 경우는 외부층(outer wall)이 손상을 받을 수 있으므로 주의해야 한다.

산 처리 후 CNT를 과량의 탈이온수(DI water)에 섞은 후 고속 교반 과정을 거처 원심분리하여 산 처리로 떨어져 나온 불순물 등이 포함된 상등액을 제거하고 가라앉은 물질을 취한 후, 동일한 과정을 pH 값이 7 정도가 될 때까지 수차례 반복한다. 이 과정을 통해 강산 잔여물 및 전이 금속을 제거하고 테플론(PTFE) 재질의 필터(0.2 μm)를 사용하여 필터링한 후 건조시킨다. 초기의 CNT의 무게와 최종적인 CNT의 무게를 계산하여 불순물 및 수율을 계산할 수 있다.

CNT의 주요 응용 분야

벌크형 복합 소재 분야

현재는 주로 전기전도성을 요구하는 정전기 방지용 고분자 복합 소재의 상용화가 이루어지고 있으며, 향후 2~3년 내에 고 전기전도성을 요구하는 전자파 간섭(Electromagnetic interference; EMI) 차폐용 복합소재가 상용화될 전망이다. CNT 발열 및 방열 복합 소재 시장도 상용화가 시작되어 LED (Light Emitting Diode) 조명 적용 시장이 증대될 것으로 예상된다. 경량/고강도 복합 소재는 골프 클럽헤드, 알루미늄 부품 적용 등 일부 스포츠 용품을 중심으로 시장에 출시된 적은 있지만, 아직은 시장이 크지 않다. 그러나 향후 5년 내에 자동차 및 항공기의 내외장재에 사용될 가능성이 매우 크므로 이 분야의 사업화 전망이 밝다고 예측된다.

박막형 복합 소재 분야

단일벽 나노튜브를 이용한 저가형 투명 전도성 필름의 상업화가 이루어졌으며, 모바일 기기의 급격한 증대와 맞물려 시장 확대가 예상된다. 다중벽 나노튜브를 이용한 정전기 방지용 도료의 상용화가 이루어졌으며, 향후 2~3 년내 에 고전도성을 요구하는 EMI 차폐용 도료의 출시가 가능할 것으로 생각되며, 이와 더불어 방열 도료도 매우 유망한 분야로 떠오르고 있다.

에너지 분야

리튬이온 전지의 양극에 전도성 충진제로 쓰이는 카본 블랙을 대체하는 분야가 가장 유망한 분야로 떠오르고 있다. 현재 주요 전지 업체들이 CNT를 양극 첨가재로 사용하여 특성이 개선된 리튬 2차 전지를 개발하였으며, 향후 급격한 시장 확대가 예상되는 모바일 기기, 전기 자동차 등에 사용이 예상된다.

안정성

탄소 나노튜브의 독성이 나노테크놀로지에서 중요한 질문이 된 적이 있었다. 2007년에, 독성에 대한 연구가 시작되었다. 데이터는 아직 단편적이고 주관적이다. 임시의 결과는 이 혼합된 물질의 유독성을 평가하는 것의 어려움을 강조한다. 샘플의 순도뿐 아니라 구조, 입도 분포, 표면, 표면화학, 표면 전류, 집합체 상태가 탄소 나노 튜브의 반응성에 엄청난 영향을 가진다. 그러나, 이용 가능한 정보에 따르면, 특정 상황에서는 탄소 나노 튜브가 염증이나 섬유증과 같은 해로운 효과를 유도할 수 있다고 한다.

참고자료

• 〈탄소 나노튜브〉, 《화학백과》
• 〈탄소 나노튜브〉, 《위키백과》
• 정현섭 기자, 〈[https://www.sciencetimes.co.kr/news/%ED%83%84%EC%86%8C%EB%82%98%EB%85%B8%ED%8A%9C%EB%B8%8C-%EA%B3%A0%ED%9A%A8%EC%9C%A8-%EC%86%8C%EC%9E%AC%EB%A1%9C-%EC%9E%AC%EC%A1%B0%EB%AA%85/ 탄소나노튜브, 고효율 소재로 재조명〉, 《사이언스타임즈》, 2019-07-16

같이 보기

• 탄소
• 나노
• 플렉서블 배터리

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