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[물리학] 탄소나노튜브 평가A좋아요

서론최근에 나노미터(nm) 크기의 극미세 영역에서 새로운 물리현상과 향상된 물질특성을 나타내는 연구결과가 보고 되면서 나노과학기술이라는 새로운 영역이 나오게 되었고, 이러한 나노과학기술은 앞으로 21C를 선도해 나갈 수 있는 과학기술로서 전자정보통신, 의약, 소재, 제조공정, 환경 및 에너지 등의 분야에서 미래의 기술로 부각되었다. 나노과학기술 분야 중에서도 특히 탄소나노튜브(Carbon Nanotube : CNT)는 새로운 물질특성의 구현이 가능하여 기초연구의 중요성과 산업적 응용성이 동시에 크게 각광을 받고 있다.나노(Nano)란 무엇인가?그리스 어로 난쟁이 를 뜻하는 말에서 유래된 나노는 10억분의 1 을 의미한다. 1nm는 원자 크기의 단위이다. 나노는 바로 원자크기인 1nm의 세계를 다루는 것이다. 1m의 1000분의 1이 1mm, 1mm의 1000분의 1이 1㎛이고, 다시 1㎛의 1000분의 1이 바로 1nm이다. 1000x1000x1000, 즉 10억분의 1m가 1nm이다. 나노과학을 크게 보면 나노 크기의 물질로 이루어진 미세한 크기의 재료나 기계를 만드는 기술, 나노 크기 영역에서 나타나는 새로운 물리 현상을 응용하여 장비의 성능을 크게 향상 시키려는 기술, 그리고 눈으로는 볼 수 없는 미세한 영역의 자연 현상을 측정하고 예측하는 기술로 나누어 볼 수 있다. 나노 크기의 입자가 갖는 가장 큰 특징은 일정한 부피 안에 존재하는 입자의 표면적이 기존의 재료에 비해 매우 크다는 것이다. 따라서 물질을 구성하는 원자들이 입자 내부보다 표면에 많이 존재하게 됨으로써, 기존의 물질에서는 기대할 수 없었던 새로운 물리적 성질이 나타난다. 또한 물질의 상태가 매우 불안정하기 때문에 주위 환경과 쉽게 반응하거나 상태가 쉽게 변하는 성질을 갖는다. 나노 크기 물질의 이러한 물리적, 화학적 상태를 효율적으로 이용하면 현재보다 성능이 훨씬 뛰어나거나 또는 새로운 성능을 갖는 재료를 만들 수 있다. 나노과학에서 중요한 기술은 원자나 분자를 움직이거나 제어하는 기술이다시킨 탄소덩어리를 TEM으로 분석하는 과정에서 가늘고 긴 대롱 모양의 탄소나노튜브를 발견하여 Nature에 처음으로 발표하였다. 이때 성장된 탄소나노튜브의 길이는 수십nm이고, 외경은 2.5-30nm였다. 탄소나노튜브에서 하나의 탄소원자는 3개의 다른 원자와 sp2 결합의 육각형 벌집무늬를 이루며, 이 튜브의 직경이 대략 수nm 정도로 극히 작기 때문에 나노튜브라고 부르게 되었다.탄소나노튜브의 구조탄소나노튜브는 수 nm의 직경을 가진 길고 가느다란 튜브모양의 구조를 하고 있다. 탄소나노튜브는 독특한 모양과 말린 구조에 따라 도체도 될 수 있고 반도체도 될 수 있는 독특한 전기적 성질로 각광 받아왔다. 탄소나노튜브는 두 가지 종류로 나눌 수 있는데, 단일벽 나노튜브(Single-walled Nanotube : SWNT)와 다중벽 나노튜브(Multiwall Nanotube : MWNT)로 나눌 수 있다. 단일벽 나노튜브는 하나의 벽으로만 구성되어 있으며, 다중벽 나노튜브는 여러 개의 벽으로 구성되어 있다. 단일벽 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브보다 유연해서, 여러 개가 로프로 뭉치는 경향이 있는데 이것을 다발형 탄소나노튜브(Nanotube Rope)라고 한다.{그림 Carbon Nanotubes의 여러 가지 구조탄소나노튜브는 그림1에서 볼 수 있듯이 zigzag와 arm-chair라고 알려진 두 개의 대칭구조가 가능하다. 실제적으로 대부분의 탄소나노튜브는 이러한 대칭구조를 갖는 대신에 벌집 모양의 육각형이 튜브축을 따라서 나선형으로 배열된 chiral 구조를 갖는다.탄소나노튜브의 합성탄소나노튜브의 합성은 처음에는 전기 방전법이 주류를 이루었으나, 이후로 레이저 증착법, 열분해법이 제시되었다. 이들 방법은 탄소나노튜브를 합성한 후 고순도를 얻기 위해서 복잡한 정제과정을 거쳐야 하며, 또한 구조제어 및 수직배향 합성이 어려운 단점을 갖고 있다. 최근에는 탄소나노튜브를 수직배향으로 합성할 수 있는 CVD법(chemical vapor deposition)이 크게 부각되 대표적으로 초창기에 많이 이용되었던 전기 방전법과 최근 각광을 받고 있는 열 CVD법에 대해서 알아보면 다음과 같다.1 전기 방전법전기방전법은 초기에 탄소나노튜브를 합성할 때 주로 사용한 방법이다. 두 개의 탄소막대를 음극과 양극에 배치하고, 일정 압력을 유지하기 위해 헬륨 가스를 넣고, 두 전극 사이에 직류전원을 인가하면 전극사이에서 방전이 일어나고 방전에 의해 발생된 다량의 전자는 양극으로 이동하여 양극의 탄소막대에 충돌하게 된다. 이때 전자의 충돌에 의해서 양극의 탄소막대에서 떨어져 나온 탄소 크러스트들은 낮은 온도로 냉각되어 있는 음극의 탄소막대 표면에 응축된다. 이렇게 음극에서 응축된 탄소덩어리에는 탄소나노튜브와 탄소 나노 파티클(particle) 그리고 비정질 탄소덩어리가 포함되어진다. 양질의 탄소나노튜브를 합성하기 위해서는 음극을 냉각시키는 것이 필수적이며, 양극의 위치는 가변적이어서 전기방전이 일어나는 동안에 두 극 사이의 거리를 일정하게 유지할 수 있어야 한다. 두 극 사이에는 일반적으로 직류 전원이 사용되는데, 20 40 V의 전압 범위에서 전류는 50~100 A 정도일 때 전기방전이 잘 일어난다. 안정적인 방전이 일어나는 두 탄소막대 사이의 거리는 1 mm 이하이다. 이런 방법으로 합성된 탄소나노튜브는 일반적으로 다중벽 탄소나노튜브 구조를 가지게 되지만, 양극 탄소막대에 Co, Ni. Fe, Y 등의 금속파우더를 적절한 비율로 혼합하여 전기방전을 일으키면 단일벽 탄소나노튜브를 합성시킬 수 있다. 전기 방전법은 다른 방법들에 비해 순도가 낮은데, cathode를 회전시켜 방전이 균일하게 발생하도록 하거나, 반응로의 온도를 높이는 방법 및 헬륨 가스 대신 수소 가스를 사용하는 하여 그 단점을 보완하고 있다.{그림 아크방전법을 이용한 탄소나노튜브의 FE-SEM 사진a) collar 부분 b) cathode부분 c) 반응기 벽2 열 CVD법열 CVD법은 1996년 중국 Xie그룹에서 처음 도입된 이후 이 방법에 의한 탄소나노튜브의 성장에 관한 연 실린더 구조로 둥글게 말린 형태를 가지고 있으며, 크기나 형태에 따라 독특한 물리적 성질을 가지는 거대분자(macromolecule)이다. 이들 구조에 따른 물리적 특성 평가에 대한 연구가 최근 많이 진행되고 있으나, 아직까지 해결해야 될 내용이 많이 남아있는 실정이다. 그 이유는 탄소나노튜브가 직경, 길이, chirality에 따라 다양한 물리적 성질을 가지고 있기 때문이다. 현재까지 알려진 탄소나노튜브의 전기적, 열적, 기계적 성질들을 알아보면 다음과 같다.1 전기적 성질1998년 Frank는 SPM(Scanning probing microscopy)을 이용하여 탄소나노섬유를 수은 액체상에 담지하여 전도성을 측정하였다. 그 결과 탄소나노튜브가 양자거동을 보이면서 획기적인 전도성 (ballistic conductance)을 가진다고 보고하였다. 다중벽 나노튜브(multiwall Nanotube : MWNT)의 전도성은 각 나노튜브가 수은 액체상에 첨가될 때마다 1 Go만큼 증가하였다. 이때 Go의 값은 1/12.9 k -1 이다. 1999년 Sanvito등은 scattering 기법을 이용하여 MWNT의 전도성을 측정하였으며 Frank의 결과를 재확인하였다. 또한 이들은 MWNT내의 양자전도성 채널이 interwall 반응에 의해 감소됨을 관찰하였고, 이 반응에 의해 각 탄소나노튜브의 전자흐름이 재배치됨을 관찰하였다. Thess는 rope형태의 금속성 SWNT의 저항을 four-point 기법을 이용하여, 300 K에서 약 10-4 -cm 임을 관찰하였으며, 이 값은 현재 알려진 고전도성 탄소나노섬유보다 더 높은 값을 가진 것으로 나타났다. Frank와 Avouris는 각각 107 A/cm2 이상, 1013 A/cm2 이상의 안정된 전류밀도가 나타남을 관찰하였다.2 열적성질탄소나노튜브의 열전도도는 온도와 phonon의 평균자유경로에 의존한다. Hone은 1999년 탄소나노튜브의 열전도도가 온도에 일차적인 관계식을 가짐을 발표하였으며, 7-25 K의 온도범위인 최대치까지 증가하다가 400 K에서부터는 3,000 W/mK로 급격히 감소한다고 보고하였다.3 기계적 성질SWNT의 탄성은 최근 나노튜브 분야에서 활발하게 연구가 진행되고 있는 분야이다. 전반적으로 SWNT는 강철보다 10-100배 견고하고 물리적인 충격에 강하다. 나노튜브의 팁에 힘을 가하면 손상 없이 구부러지며, 힘을 제거하면 원래상태로 돌아간다. 그러나 이런 현상을 정량화하는 것은 아주 어려운 문제로 알려져 있다. 1996년 미국 Princeton 대학과 Illinois 대학의 연구팀은 평균 Young's modulus가 1.8 TPa임을 측정하였다. 이들은 튜브를 자유롭게 세운 후, 팁의 미세사진을 촬영하여 다양한 온도에서 Modulus를 계산하였다. 1997년 Goddard는 (10,10) armchair 나노튜브의 modulus가 640.30 GPa이고, (17,0) zigzag 나노튜브가 648.43 GPa이며, (12,6) chiral 나노튜브가 673.93 GPa임을 제시하였다. 이 값들은 potentional의 2차 미분계수로부터 계산되어졌으며, 위에서 측정된 1.8 TPa 값과는 상당한 차이를 보여주었다. 1998년 Treaty는 elastic modulus가 1.25 TPa임을 보고하였다. 이 값은 1997년 Wong에 의해 관찰된 MWNT의 1.28 TPa와 비교될 수 있다. 이들은 AFM을 이용하여 지지체에 고착되지 않는 나노튜브의 한 끝을 평형상태에서 벗어나게 하고, 이때 팁에 작용하는 힘을 기록함으로서 modulus를 측정하였다. 1999년 Rubio는 tight-binding 계산을 통하여 SWNT의 Young's modulus가 직경 및 chirality에 크게 의존함을 보였으며, (10,0)과 (6,6) 나노튜브에 대해 1.22 TPa, (20,0) 나노튜브에 대해 1.26 TPa인 것을 보고하였다. 위의 결과들을 보면 SWNT의 경우 elastic modulus가 직경 및 구조에 크게 의존함을 알 수 있다. 그러나 199같다.

자연과학| 2004.05.19| 7페이지| 1,000원| 조회(640)

나노, NANO, 나노튜브, Carbon Nanotube

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