탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT)는 탄소 6개가 육각형을 이룬 흑연면(graphite sheet)이 관 모양으로 연결되어 있는 분자 사슬이다. 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
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.
참고자료
같이 보기
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