탄소 나노튜브

1 개요

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영어로는 carbon nanotube. 약어로 CNT. 간단히 Buckytube라고도 한다.[1] 또 다른 별칭은 세상에서 가장 작은 죽부인바늘
또한 지구상에서 가장 검은 색 반타블랙을 이 탄소나노튜브를 이용해서 만든다

2 상세

탄소원자들이 육각형의 벌집모양으로 서로 연결된 고분자 탄소동소체로, 현재까지 발견된 물질중 가장 강력한 강도를 가지고 있는 물질이며 그 강도는 철의 100배 이상. 그리고 기술이 발전함에 따라 이 강도는 더 강해질 수 있다. 이러한 강도를 가지고 있는 물질이고 또한 그 발전가능성도 높기 때문에, 우주 엘리베이터 케이블의 유력한 후보로 다뤄지고 있다. 전도성 또한 좋은 편이기 때문에 이를 응용한 연구도 활발히 이루어지고 있다.

그러나 한국과학기술연구원(KIST) 계면제어연구센터 이재갑 박사와 국제 연구팀에 의해 탄소나노튜브의 구조가 기존에 원통형 구조라고 알려졌던 것과 달리 나선구조를 이루고 있다는 연구 결과가 나왔다. 이 연구에 따르면 탄소 나노 튜브는 그래핀이 나선형으로 성장한 물질로 밝혀졌으며, 이때 발생하는 구조적 결함 때문에 예상치보다 훨씬 낮은 강도를 가진다. 또한 탄소 나노 튜브는 반도체가 아닌 도체이며 전도성 역시 금속에 비해 우수하지 않다고 한다.

탄소 나노튜브에도 그 종류가 여러가지 있는데 탄소 벽의 개수에 따라서 Single-walled, Double-walled, Multi-walled로 나누며, 탄소 층의 배열 방법등에 따라 Torus, Nanobud, Cup stacked, Extreme등으로 나뉜다. 종류에 따라 강도나 기타 특성들이 차이가 난다.[2]

현재로서는 탄소 나노튜브를 만들기 위해서 아스팔트를 가져다가 이리저리 가공하고 있다. 과정이 좀 복잡하고 아스팔트 값이 점점 오르고 있어서[3] 몇십년이 지나면 저렴하고 튼튼한 물질에서 저렴하다는 부분은 빼야 할지도. 하지만 구조가 그래핀 친척(…) 정도이기 때문에 그래핀 테이프 추출법이 발전하면 간편하게 생산할 길이 열릴 것이라는 예측이 있다. 실험실 스케일에서는 CO에 고압을 걸어주는 방법, CVD, 아크 방전 등이 주로 이용된다.

Multi-walled CNT(MWCNT)는 엄청 저렴하다. 새우젓 통에 가득 담아서 팔 정도로. 반면에 Single-walled CNT(SWCNT)는 합성 자체가 까다로운 편이라 MWCNT에 비해 수십배 이상 비싼 편이다. 그래서 상대적으로 초강력 섬유나 복합소재와 같이 양이 많이 필요한 곳에서는 MWCNT[4], 전자 소자와 같이 적은 양으로도 힘을 발휘할 수 있는[5] 분야에서는 SWCNT가 더 쓰인다.

그래핀이나 나노 금속 재료(나노 와이어, 나노 큐브 등)가 발견되기 전까지는 그야말로 전자 소자 끝판왕의 분위기를 풍겼으나 탄소의 배열 방법에 따라 전도성이 천차만별로 바뀌고, 그에 따른 접촉 저항등이 너무 크다는 것[6][7]이 밝혀지면서 이전과 같은 주목은 끌지 못하고 있다. 그리고 결정적으로 CNT는 지들끼리 뭉치는 번들링이라는 현상을 가지고 있어 계산값과는 저 멀리 떨어진 안습한 전기적-기계적 성질을 가지고 있는 경우가 대부분이다. 하지만 그럼에도 불구하고 유연하고[8] 빛을 내기도 하는 점 등에서 향후 전망이 주목되는 신소재다.

그래핀이 전자 소자 쪽으로 유망한 소재라면 탄소 나노튜브 쪽은 구조재 같은 쪽으로 유망할 듯? 일단 강도 자체가 앞서 말한 대로 철의 100배 이상이고, 그래핀에 비교해서도 대략 2배 정도 더 강한 편이므로 그 강도를 생각해보면 그래핀보다 더 강한 강도가 필요한 분야에서 활용될 가능성이 있을 것이다. 일단 그래핀부터가 인류가 만들어 낸 물건 중 기계적으로 가장 강한 축에 속하는 물건인데, 이것보다 강도가 더 강한 물질이 필요하다면 역시 탄소 나노튜브가 제격이기 때문.
상기한 대로 전자 소자 쪽으로는 아무래도 그래핀에 비해 단점이 꽤 있기도 하고 그 외에도 이런저런 한계가 꽤 있는 탓에, 무한한 가능성을 지녔다고 평가받는 그래핀보다는 조금 범용성이 떨어지는 듯 하지만 그렇긴 해도 이쪽 역시 활용될 수 있는 분야가 꽤 넓을 것이라 생각된다.[9]

구조재 이외에도 빛을 내는 성질과 반도체 성질을 나타나게 하는 방법이 발견, 스스로 열을 빨리 내보내는 특성 등을 이용하여 모니터 등을 만드는데 쓰이기도 한다. 이를 이용하면 투명하고, 전기 소모량이 적고, 과열의 위험이 적은 디스플레이를 만들 수 있다.
이외에는 SPM(주사 탑침 현미경)에서 정전기 유도를 통한 나노 집게의 성분으로 쓰이기도 한다. 이를 이용하면 기존의 SPM처럼 원자나 분자를 조종할 수 있을 뿐만 아니라 전기적 특성도 어느정도 측정할 수 있게 된다.

현실화되지는 않았지만, 상당히 유연하고 전기 전도도가 높다는 특성에 의해 인간의 두뇌 구조와 같은 신경망 분야에 응용할 수 있으며, 이 관을 실린더로 삼고 풀러렌을 피스톤으로 한 세상에서 가장 작은 기구를 만들자는 미친기막힌 상상을 하는 잉여과학자들도 있다. 물론 현실화되면 대박.

금호석유화학에 따르면, 탄소나노튜브의 탄성률(Elastic Modulus)는 1~2TPa, 인장강도(Tensile Strength)는 30~180GPa라고 한다. 어째 그래핀에 비해 편차가 심하다. 그야 그래핀보다 재료의 범위가 넓다보니.. Short MWCNT, Long MWNCT, SWCNT 등..

하지만, 이 꿈의 물질이 최근 발암물질임이 유력시되고 있으며, 대한민국에서도 발암물질 지정 영향 분석 연구에 들어갔다.
  1. ↑ 풀러렌도 마찬가지로 buckyball이라고 칭하기도.
  2. ↑ 특히, 전기적 특성이 심하게 차이가 난다.
  3. ↑ 탄소 나노튜브 연구가 활발해지면서 아스팔트의 수요가 증가했다고.
  4. ↑ 방탄 플레이트가 가장 직관적이고 대표적인 예이다. 기존 섬유 대신 1.5wt%가량 첨가하는 초단순무식한 방법만으로도 15%가량의 구조 강도(인장 강도 = 방어력) 향상을 이루어내고 NIJ II에 그치는 케블러 계열 방탄복의 방어력을 NIJ IIIA 수준까지 끌어올려준다. 하지만 아래 언급된 발암 위험성 때문에 발목이 잡힌 상태이다. 피격된 플레이트에서 MWCNT가 에어로졸화하여 튀어나오면 착용자에게 무슨 일이 일어날 지 알 수 없기 때문이다.
  5. ↑ 사실, 그것보다도 MWCNT는 산란 때문에 전자 소자에서는 SWCNT에 많이 밀린다.
  6. ↑ 이런 것들을 해결하기 위해 반도체성 SWCNT와 금속성 SWCNT를 분리한다던지, 도핑을 한다던지 등의 여러 가지 시도를 하였으나 여전히 접촉 저항은 존재하고, 도핑은 쉽게 풀린다는 한계가 남아있어 그래핀에 비해 갈 길이 멀다.
  7. ↑ 단적인 예로 물리적으로 1차원 전자계의 주요 특성중에 하나인 Tomonaga-Luttinger Liquid의 특성 중에 하나인 Power-law Density of state(에너지에 따른 상태밀도 함수가 페르미준위 기준으로 에너지에 따른 지수함수 관계를 나타내는 현상)특성이 CNT와 전극 사이에 접합 상태에 따라 달라지는 Artifator라고 보고된 일...
  8. ↑ 기존 가장 가늘면서 강하다고 알려진 탄소 섬유가 1%만 휘어져도 끊어지는 반면, 탄소 나노튜브는 15%정도는 휘어져도 견딜 수 있다.
  9. ↑ 사실 탄소 나노튜브의 용도별 시장 점유율은 고분자 복합소재가 69%로 절반 이상을 차지하며, 전기전자소재로는 10%정도밖에 차지하지 못하고 있다.