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탄소나노튜브   Email | Print

단일막 탄소나노튜브의 다양한 형태를 형성하기 위해 말아놓은 그래핀지
(제공: 나사 에임즈 나노기술센터 )

탄소나노튜브는 1991년 NEC 사에서 근무하는 일본 과학자 수미요 이지마(Sumiyo Iijima)씨에 의해 발견되었습니다. 탄소나노튜브는 통 모양의 탄소로서 그 지름은 0.4 나노미터(nm) 이며 길이는 몇 나노미터에서부터 1밀리미터까지입니다. 탄소나노튜브의 길이와 지름의 비율은 28,000,000:1 까지도 가능하며 이는 다른 물질로는 얻을 수 없는 비율입니다.

탄소는 여러 가지 형태로 존재합니다; 흑연 및 다이아몬드의 형태가 가장 흔한 형태입니다. 탄소나노튜브가 어떠한 모양으로 생겼는지 상상하기 위해서는 단일층의 흑연지를 꺼내어 어떠한 크기던 작은 부분으로 절단한 후 담배를 말듯이 말아본다고 생각해 보세요. 그 결과물은 단일막 탄소나노튜브가 됩니다. 여러층을 가진 흑연지를 꺼내어 담배와 같이 말아본다면 다중막 탄소나노튜브가 만들어집니다.

 

물론 나노튜브를 만들기 위해 흑연지를 말아보는 사람은 없을 것입니다. 나노튜브는 연구소에서  화학적 증기 증착법 이라는 과정을 통하여 만들어집니다.

나노튜브로 둘러싼 나노섬유를 주사 전자 현미경으로 본 모습
(제공: 드렉셀 대학교)

많은 정교한 상업용 화학반응기가 사용가능하지만 탄소나노튜브는 표준화학연구소에서 만들어 집니다. 1인치 지름의 석영튜브는 촉매제로서 튜브가열로(합성및 정제를 위한 표준적인 가열장치) 에 투입됩니다. 나노튜브는 석영튜브의 중간에 놓여진 실리콘웨이퍼에서 증대됩니다. 얇은 철, 니켈, 코발트층을 실리콘웨이퍼에 적용하여 나노튜브를 증대시키기 위한 촉매제로 이용 합니다. 메탄과 같은 탄화수소 혹은 아세틸린이 반응기를 통해 전달되며 가열로에 의해 750-900ºC까지 가열됩니다.

 

단일막 탄소나노튜브

(제공: 나사 에임즈 나노기술센터)

잠시 후 실리콘 웨이퍼는 검게 변하는 데, 이는 나노튜브로 뒤덮여졌음을 가리킵니다. 성장 조건(온도, 가스, 촉매제의 두께 등)에 따라 단일막 혹은 다중막의 탄소나노튜브가 실리콘웨이퍼에서 발견됩니다. 주사전자현미경 혹은 전파 전자현미경를 사용하여야 관측이 가능합니다. 철 혹은 니켈 촉매제가 사용되지 않았다면 비결정질의 탄소가 생성됩니다. 시간이 흐르면서 단일막의 탄소나노튜브는 가늘고 긴 스파게티의 모양을 띄게 됩니다. 더욱 가까이 관측해보면 반데르 발스(van der Waals)의 법칙과 같이 로프의 모양을 띄며 서로 모여드는 경향을 보입니다.

단일막의 탄소나노튜브는 카이랠리티(chirality) 벡터라는 두 개의 정수(n,m)로 표현이 됩니다. (n-m)/3이 정수인 경우 (예를 들어 n = 8,  m = 2) 나노튜브는 금속의 특성을 지닙니다. 금속 혹은 반도체의 특성을 지닌 튜브를 제조하는 능력이 실질적으로 중요합니다. 오늘날 컴퓨터의 칩들은 회로를 제조하는데 구리와 함께 실리콘을 사용합니다. 과학자들은 n과 m 의 여러 조합을 통해 모든 탄소의 특성들을 활용합니다.

 

다중막 탄소나노튜브 탑 (제공: 나사 에임즈 나노기술센터)

단일 전자특성 이외에도 단일막의 탄소나노튜브는 특수한 기계적 특성을 지닙니다. 강철보다 수백 배 튼튼하며 무게는 1/6입니다. 열 전도력 또한 우수하여 구리선을 대체하여 전도체로 사용될 수도 있습니다.

 

탄소나노튜브의 튼튼함과 가벼운 무게로 인해 관련 여러 학문분야가 생겨나고 갑옷, 전도폴리머, 정전기방지제, 컴퓨터칩, 화학 바이오 센서 등 그 활용은 무궁무진합니다. 다만 탄소나노튜브의 유해성은 아직 검증되지 않았습니다.



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