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1. 탄소나노튜브의 개발과 전망
1.1. 탄소나노튜브의 정의
탄소나노튜브는 탄소동소체로서 하나의 탄소가 다른 탄소원자와 육각형 벌집무늬로 결합되어 튜브형태를 이루고 있는 물질이다. 튜브의 직경이 나노 수준(nm)으로 이루어져 있어 나노튜브라고 불리며, 고효율의 수소저장매체 특성, 우수한 기계적 특성, 전기적 선택성, 뛰어난 전계방출 특성 등의 다양한 장점을 가지고 있다.
1.2. 탄소나노튜브의 발견
탄소나노튜브의 발견은 1991년 일본의 NEC 연구소에서 이루어졌다. 당시 NEC의 이이지마 수미오 박사가 전기방전법을 사용하여 흑연 음극상에 형성된 탄소덩어리를 투과전자현미경(TEM)으로 분석하는 과정에서 가늘고 긴 대롱 모양의 탄소나노튜브를 최초로 발견하였다.
이이지마 박사는 이 발견을 통해 탄소나노튜브의 존재를 과학계에 알림으로써, 이후 활발한 연구와 발전을 이끌어내는데 기여하였다. 탄소나노튜브는 탄소동소체로서 하나의 탄소원자가 다른 탄소원자와 육각형 벌집무늬로 결합되어 튜브 형태를 이루는 물질이다. 이러한 구조적 특성으로 인해 고효율의 수소저장매체, 우수한 기계적 특성, 전기적 선택성, 뛰어난 전계방출 특성 등 다양한 장점을 지닌다.
이이지마 박사의 탄소나노튜브 발견은 나노기술 분야의 발전에 큰 기여를 하였으며, 이후 탄소나노튜브에 관한 광범위한 연구가 이루어지는 계기가 되었다.
1.3. 탄소나노튜브의 합성방법
탄소나노튜브의 합성방법은 다양하게 연구되고 있다. 전기방전법(Arc-discharge), 레이저 증착법(Laser vaporization), 플라즈마 화학 기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 열화학 기상 증착법(Thermal Chemical Vapor Deposition), 기상합성법(Vapor phase growth), 전기분해법, Flame 합성법 등이 대표적인 탄소나노튜브 합성 방법이다.
전기방전법은 탄소나노튜브의 최초 발견 당시 사용된 방법으로, 전기 아크 방전을 통해 탄소나노튜브를 합성하는 기술이다. 두 개의 흑연 전극 사이에 아크를 발생시켜 온도가 높은 플라즈마를 발생시키고 이를 통해 탄소나노튜브를 합성할 수 있다. 레이저 증착법은 레이저를 이용하여 탄소를 기화시킨 후 냉각하여 탄소나노튜브를 합성하는 방법이다. 플라즈마 화학 기상 증착법은 플라즈마로 활성화된 반응 가스를 기판 위에 증착시켜 탄소나노튜브를 성장시키는 기술이다. 열화학 기상 증착법은 기체상 탄소 원료를 열분해하여 합성하는 기술로, 다른 방법에 비해 대량생산이 용이하다는 장점이 있다. 기상합성법은 탄소가 증기상으로 기화되어 기판 위에 탄소나노튜브를 직접 성장시키는 방식이다. 전기분해법은 용융 염과 전기 에너지를 이용하여 탄소나노튜브를 합성하는 기술이며, Flame 합성법은 탄화수소 화합물을 연소시켜 탄소나노튜브를 만들어내는 방식이다.
이처럼 다양한 탄소나노튜브 합성 기술들이 연구되고 있으며, 각 방법마다 장단점이 존재한다. 전기방전법과 레이저 증착법은 고순도의 탄소나노튜브를 합성할 수 있지만 대량생산이 어렵다는 단점이 있다. 반면 화학 기상 증착법은 대량생산이 가능하지만 순도 및 구조 제어가 어렵다는 한계가 있다. 따라서 최근에는 이러한 각 방법의 장점을 결합하여 고순도, 대량생산이 가능한 탄소나노튜브 합성 기술 개발을 위한 연구가 활발히 진행 중이다.
1.4. 탄소나노튜브의 구조 및 분류
탄소나노튜브의 구조 및 분류는 다음과 같다.
탄소나노튜브는 단중벽나노튜브(Single Wall Nanotube, SWNT), 다중벽나노튜브(Multi-Walled Nanotube, MWNT), 다발형 나노튜브(Rope Nanotube)로 분류된다.
단중벽나노튜브는 단일의 탄소 원자층으로 이루어진 튜브 구조를 가진다. 직경이 1-2nm 수준이며 길이가 수 마이크로미터에 달하는 주사전자현미경(SEM) 또는 투과전자현미경(TEM)으로 관찰된다.
다중벽나노튜브는 동심원 상으로 배열된 여러 개의 탄소 원자층으로 이루어진 중공 구조를 가진다. 직경은 2-100nm이며 길이는 수 마이크로미터 이상인 것으로 알려져 있다.
다발형 나노튜브는 여러 개의 단중벽나노튜브가 다발 형태로 뭉쳐져 있는 구조를 가진다. 직경은 10-100nm이며 길이가 수 마이크로미터 이상이다.
이처럼 탄소나노튜브는 구조와 형태에 따라 다양한 분류가 가능하며, 이러한 차이에 따라 물리화학적 특성과 응용 분야가 달라진다고 볼 수 있다.
1.5. 탄소나노튜브의 성질
탄소나노튜브의 성질은 다음과 같다.
탄소나노튜브는 전기적 성질이 매우 뛰어난데, 전기전도성이 높고 안정된 전류밀도를 나타낸다. 이는 탄소나노튜브의 구조적 특성에 기인한다. 탄소나노튜브는 벽면을 따라 전자가 구속되어 이동하는 1차원적 전자구조를 가지고 있어, 낮은 산란확률로 인해 우수한 전자 이동 특성을 보인다. 또한 열적 성질도 매우 뛰어나, 탄소나노튜브의 열전도도가 ...
