탄소나노튜브(Carbon Nanotube, CNT)란 무엇인가

탄소나노튜브(CNT)란 무엇인가?

탄소나노튜브(CNT)에 대하여

 

탄소나노튜브(Carbon Nanotube, CNT)는 말 그대로 탄소원자로 구성된 매우 작고 얇은 튜브처럼 생긴 물질입니다. 탄소나노튜브는 그래핀이라고 불리는 2차원 탄소시트를 돌돌 말아서 만든 것과 같은 형상이며 튜브모양의 관을 구성하는 탄소원자는 6각형의 격자가 특징입니다. 탄소나노튜브는 매우 작아서, 하나의 탄소나노튜브의 직경은 1 nm(나노미터)에 불과합니다.

 

2차원 탄소시트에서 탄소나노튜브가 만들어지는 과정

 

탄소나노튜브는 이러한 작고 특이한 구조로 인해 다른 재료에서 볼 수 없는 우수한 기계적, 전기적 및 열적 특성을 보여줍니다. 과학계에서는 탄소나노튜브의 흥미로운 특성에 대한 학문적인 접근 뿐 아니라 복합소재 분야의 실제적인 적용을 위해 많은 상용화 연구가 진행되고 있습니다.

 

탄소나노튜브의 종류

 

탄소나노튜브는 튜브를 이루는 탄소의 구조에 따라 단일벽 탄소나노튜브 (SWCNT), 이중벽 탄소나노튜브 (DWCNT) 및 다중벽 탄소나노튜브 (MWCNT)로 분류됩니다. 이런 튜브의 구조에 따라 특성도 서로 다르게 나타납니다.

 

탄소나노튜브의 종류와 구조

 

탄소나노튜브를 만드는 방법

 

과학자들은 탄소나노튜브가 촛불의 연소과정 중 자연적으로 만들어진다는 것을 발견하였습니다. 하지만 이러한 방법은 대량생산과는 거리가 먼 방법이기에 양산으로의 연구는 이루어지지 않았습니다.

 

일반적으로 탄소나노튜브는 화학기상증착법, 아크 방전법, 레이저 증착법, 기상성장법, 화염합성법 중 하나를 이용하여 생산되고 있습니다.

 

화학기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)에서, 탄소나노튜브는 700℃로 가열된 기판 위의 금속 나노입자 또는 이산화지르코늄 나노입자로부터 성장됩니다. 아세틸렌이나 메탄, 에틸렌 같은 탄화수소 가스를 질소와 함께 반응챔버로 주입시키면 탄화수소가 기판 위에서 분해되며 탄소나노튜브가 만들어 집니다. 화학기상증착법은 현재 탄소나노튜브의 상업적 생산에 가장 널리 사용되는 방법입니다.

 

아크 방전법(Arc discharge method)은 탄소나노튜브의 인공적인 합성에 가장 먼저 사용된 방법입니다. 양 끝에 위치한 2개의 탄소막대에 아크를 발생시겨 탄소나노튜브를 형성시킵니다. 공정 자체는 간단하지만 순도가 낮기 낮기 때문에 순수한 탄소나노튜브의 회수를 위해서 추가적인 정제가 필요합니다.

 

레이저 증착법(Laser ablition)은 불활성 가스를 채운 고온의 상태에서 강력한 레이져 펄스를 이용해 흑연을 기화시켜 탄소나노튜그를 형성시킵니다. 이 역시 증기 상태에서 합성이 되기 때문에 아크방전법과 마찬가지로 추가적인 정제가 필요합니다.

 

기상성장법(Vapor growth method)은 레이져 증착법을 개선시킨 방법입니다. 레이져 증착법과의 가장 큰 차이는, 반응물들이 촉매와 함께 기판없이 바로 합성이 된다는 것입니다. 반응기 내부에서 탄화수소가 탄소로 분해된 후 확산에 의해 촉매내로 흡수되며 CNT가 만들어집니다.

 

또 다른 탄소나노튜브의 합성법으로는, 화염합성법(Flame synthesis method)이 있습니다. 말 그대로 탄소 공급원인 탄화수소의 화염을 이용해 탄소나노튜브를 합성하는 방법입니다. 이 반응은 발열성으로 탄화수소의 화염에서 열로 방출되는 에너지는 흡열반응이 탄소나노튜브의 증착 반응에 사용됩니다. 조건만 잘 맞추면 대량생산이 용이해 현재 상업적으로 사용되는 공정입니다.

 

탄소나노튜브의 특성

 

탄소나노튜브는 그 구조에 따라 조금씩 다르지만 대체적으로 아래와 같은 여러가지 우수한 특성을 가지고 있습니다.

 

- 높은 열 및 전기 전도성

- 우수한 광학적 특성 (광흡수성, 형광)

- 유연성

- 높은 인장강도

- 가벼운 무게

- 높은 전자 방출성

- 높은 강성 향상성

 

탄소나노튜브의 응용분야

 

위와 같은 우수한 특성으로 인해 탄소나노튜브는 굉장히 다양한 분야에 널리 사용되고 있습니다.

 

- 활, 서핑 보드, 자전거 부품과 같은 스포츠 장비

- 현미경의 전자 방출원

- 터치스크린과 같은 디스플레이

- 전도성 기판, 반도체회로와 같은 전자 재료

- 캐패시터나 배터리 등 에너지 저장장치

- 기계적, 열적 특성 향상을 위한 첨가제(필러)

- 유전자 진단, 암 치료 및 약물전달용 의약품

 

탄소나노튜브의 유해성

 

탄소나노튜브의 독특하며 우수한 성질 때문에 여러 분야의 산업현장에 탄소나노튜브의 적용을 시도해왔지만 유해성으로 인해 일상제품에는 사용하기 어려웠습니다. 특히 인체에 1차적으로 노출되는 호흡기 계통에 악영향을 끼쳐 폐렴을 일으킬 수 있다는 연구결과가 있었습니다. 이는 탄소나노튜브 자체가 굉장히 작고 가벼운 나노물질이라 공기 중으로 부유하면 체내로 흡입되기가 쉽기 때문입니다.

 

다만 여러 연구를 통해 탄소나노튜브의 표면을 개질하면 그 본래의 성질을 잃지 않고도 독성을 낮출 수 있음이 밝혀졌기 때문에 머지않아 일상제품에도 적용이 가능할 것이라 예상됩니다.

 

그래핀(Graphene)에 대하여