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1. 탄소나노튜브의 개요와 응용
1.1. 탄소나노튜브의 특성
탄소나노튜브는 지구상에 다량으로 존재하는 탄소로 이루어진 탄소동소체로서, 하나의 탄소가 다른 탄소원자와 육각형 벌집무늬로 결합되어 튜브형태를 이루고 있는 물질이다. 탄소나노튜브의 튜브 직경이 나노미터(nm=10억분의 1미터) 수준으로 극히 작은 영역의 물질이다.
탄소나노튜브는 우수한 기계적 특성, 전기적 선택성, 뛰어난 전계방출 특성, 고효율의 수소저장매체 특성 등을 지니고 있어 현존하는 물질 중 결함이 거의 없는 완벽한 신소재로 알려져 있다. 1985년 Kroto와 Smalley가 탄소동소체의 하나인 Fullerene(C60)을 발견했으며, 1991년 일본전기회사(NEC) 부설 연구소의 이지마 박사가 전기 방전법을 사용하여 흑연 음극상에 형성된 탄소덩어리를 TBM으로 분석하는 과정에서 가늘고 긴 대롱모양의 탄소나노튜브를 발견하였다.
탄소나노튜브는 고도의 합성기술에 의해 제조되며, 합성방법으로는 전기 방전법, 열 분해법, 레이저 증착법, 플라즈마 화학 기상 증착법, 열화학 기상 증착법, 전기분해방법, Flame 합성 방법 등이 있다. 탄소나노튜브는 다양한 물리적 성질을 가지고 있어서 각종 장치의 전자방출 원(electron emitter), VFD((vacuum fluorescent display), 백색광원, FED(field emission display), 리튬이온 2차전지전극, 수소저장 연료전지, 나노 와이어, 나노 캡슐, 나노 핀셋, AFM/STM tip, 단전자 소자, 가스센서, 의·공학용 미세 부품, 고기능 복합체 등에서 무한한 응용 가능성을 보여준다.
1.2. 탄소나노튜브의 제조방법
탄소나노튜브의 제조방법은 다음과 같다.
전기방전법은 초기에 탄소나노튜브를 합성할 때 주로 사용한 방법으로, 두 개의 그래파이트 막대를 음극과 양극으로 사용하고 이 사이에 직류 전원을 인가하면 전극 사이에서 방전이 일어나 양극으로 이동한 다량의 전자가 양극인 그래파이트 막대에 충돌하여 양극 막대에서 탄소 크러스트들이 떨어져 나오게 된다. 이렇게 떨어져 나간 탄소 크러스트들은 낮은 온도로 냉각되어 있는 음극 막대 표면에 응축되어 탄소나노튜브와 탄소나노입자, 탄소덩어리가 포함된 형태로 합성된다.
레이저 증착법은 1995년 Smelley 팀이 개발한 방법으로, 레이저를 그래파이트 면에 조사하여 기화시킨 뒤 Cu Collecter에 응축시켜 탄소나노튜브를 얻는다. 반응 조건은 헬륨이나 아르곤으로 채워진 오븐을 500 Torr, 1200℃로 가열한 뒤 레이저를 조사하는 방식이다.
플라즈마 화학 기상증착법은 양 전극에 인가되는 고주파 전원에 의해 챔버 또는 반응로 내에 글로우 방전을 발생시켜 증착시키는 방법으로, 열 CVD보다 저온에서 탄소나노튜브를 합성할 수 있는 장점이 있다.
열화학 기상증착법은 장치가 간단하고 대량합성에 유리하며 생성물이나 원료가 다양하고 고순도 물질을 합성하기에 적합하지만, 반응로 내 반응 가스의 유속이 변하면 가스 공급의 불균일이 발생하여 기판 위 균일도가 좋지 않은 단점이 있다.
기상합성법은 기판을 사용하지 않고 반응로 안에 반응 가스와 촉매 금속을 직접 공급하여 기상에서 탄소나노튜브를 합성하는 방법으로, 탄소나노튜브를 대량 합성하기에 유리하다.
전기분해법은 흑연 막대를 용융 상태의 LiCl 전해질이 함유된 흑연 crucible에 담그고 전기 회로를 구성하여 MWNT를 합성하는 방법이다.
Flame 합성법은 CH4 등의 탄화수소 화합물이 미량의 산소 분위기에서 연소되면서 발생하는 연소열을 열원으로 하여, 반응 가스와 촉매 전구체를 Diffusion Flame 분위기에 흘려 주어 MWNT 및 SWNT를 합성한다.
1.3. 탄소나노튜브의 성장 특성
탄소나노튜브의 성장 특성은 다음과 같다.
첫째, 성장온도가 증가할수록 탄소나노튜브의 밀도가 증가한다. 둘째, 성장온도가 증가할수록 탄소나노튜브의 성장속도가 증가한다. 셋째, 성장온도가 증가할수록 탄소나노튜브의 수직배향성이 향상된다. 넷째, 열 화학기상증착법으로 합성한 탄소나노튜브는 성장온도에 관계없이 탄소나노튜브 팁의 끝부분은 막혀있고 수직방향으로 무질서하게 구부러져 있다.
첫째, HF dipping은 단순히 촉매금속막의 표면을 식각시키며, HF dipping 시간이 증가함에 따라서 금속막 표면의 거칠기가 증가한다. 둘째, HF dipping 시간이 140 sec 이상이 되면 촉매금속막의 입자 직경이 거의 일정한 크기로 형성된다. 셋째, NH3 처리 과정이 없이 HF dipping에 의한 표면 식각만으로 촉매금속 파티클을 형성시킨 경우에는, 그 촉매금속 파티클위에 합성시킨 탄소나노튜브는 비록 고밀도로 균일하게 성장은 되더라도 기판에 수직배향으로 성장되지는 않았다. 넷째, HF dipping을 140 sec 동안 실시하고 850 ℃에서 NH3를 300 sccm로 처리한 조건에서는 기판에 수직배향된 고밀도의 탄소나노튜브 합성이 가능하였다. 다섯째, 미세한 촉매금속 파티클의 크기와 밀도...
