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[화학공학] 탄소나노튜브 평가B괜찮아요

21세기의 꿈의 신소재, 탄소나노튜브!1. 탄소나노튜브란?탄소는 지구상에서 흑연 및 다이아몬드의 두 가지 결정형태로 존재하여 오랜 세월동안 인류와 친숙하게 지내온 물질이다. 1985년 축구공 모양을 가진 탄소 분자 C60(탄소원자 60개가 모인 것으로서 훌러린 이라고 부름)가 처음 발견된 이래 전 세계의 많은 연구소에서는 새로운 구조의 탄소를 합성하기 위한 연구가 진행되고 있었다. 일본전기회사(NEC) 부설연구소의 이지마 박사는 이러한 연구에 골몰하던 중 1991년에 우연히 가늘고 긴 대롱 모양의 탄소구조가 형성된 것을 전자현미경을 통해 확인하였고 이 사실을 세계적인 과학학술지 "Nature에 보고하였다. 이것이 탄소 나노튜브의 시작이고 그 뒤에 많은 실험적, 이론적 연구가 계속되어왔다.(1) 탄소의 종류탄소 나노튜브에서 하나의 탄소원자는 3개의 다른 탄소원자와 결합되어 있고 육각형 벌집 무늬를 이룬다. 만약 평평한 종이 위에 이러한 벌집 무늬를 그린 후 종이를 둥글게 말면 나노튜브 구조가 된다. 즉 나노튜브 하나는 속이 빈 튜브(혹은 실린더)와 같은 모양을 갖고 있다. 이것을 나노튜브라고 부르는 이유는 그 튜브의 직경이 보통 1 나노미터(10억분의 1미터) 정도로 극히 작기 때문이다. 종이에 벌집 무늬를 그리고 둥글게 말면 나노튜브가 된다고 했는데 이 때 종이를 어느 각도로 말 것인가, 튜브의 직경이 얼마나 되게 말 것인가 문제가 된다. 이에 따라 탄소 나노튜브는 금속과 같은 전기적 도체가 되기도 하고 또 전기가 잘 안 통하는 반도체가 되기도 한다.(2) 탄소나노튜브 종류나노튜브 한 개가 반도체가 될 수 있다는 사실은 이미 알려져 있었다. 그러나 이것이 반도체 소자로 쓰이기 위해서는 커다란 문제가 있다. 현재 가장 널리 쓰이는 실리콘에서와 같이 반도체가 기억소자나 트랜지스터 등에 이용되기 위해서는 반드시 도핑(doping)이란 과정을 거쳐야 한다. 순수한 반도체는 전기를 거의 통하지 못하는데 보론(boron), 인(phosphorus)같은 소량의 불순물을 일브는 도핑하기가 극히 어려워서 반도체로서의 응용이 힘든 것으로 생각되어 왔으나 서울대 임지순 교수는 나노튜브는 혼자 있을 때에는 전기를 잘 통하는 도체지만 튜브를 여러 다발 포개놓으면 도체와 절연체의 중간인 반도체가 된다.」는 사실을 밝혀냈다. 임 교수는 또 나노튜브가 어떻게 반도체의 성질을 띠게 되는지에 대해서도 「거울 대칭성」이라는 개념을 써서 명쾌하게 풀이했다. 탄소나노튜브의 역사는 비교적 짧지만 1997년도 세계과학계의 10대 중요연구과제에 선정될 만큼 최근 연구가 세계적으로 활발히 진행되고 있는 분야이다. 이는 탄소나노튜브가 다양한 물성을 제공하고 그와 함께 메모리소자, 전자소자 등 무한한 응용가능성을 제공하고 있기 때문이다. 현재 탄소나노튜브는 전세계적인 발전추세로 보아, 향후 고부가가치를 창출할 수 있는 첨단전자정보산업에 이용될 원천과학기술분야이다. 따라서 전세계적으로 탄소나노튜브를 이용하는 새로운 기술혁명이 가져올 엄청난 파급효과가 기대되는 연구분야이다.2. 탄소나노튜브 응용탄소나노튜브는 구조의 비등방성이 크며(직경: 수십 또는 수백 nm, 길이: 수백 nm ) 감긴 형태에 따라 도체, 부도체의 성질을 띠며, 직경에 따라 에너지 갭이 달라지고, 준 일차원적 구조를 가지고 있어 특이한 양자효과를 나타내며 다양한 응용이 예상되는 신기능 재료이다. 이러한 탄소나노튜브를 평면표시소자, 2차전지전극재료, 수소저장용기, 메모리소자, mechatronics에서의 미세한 전선 등의 다양한 분야에 응용하기 위해서는 선행 기반기술로서 탄소나노튜브 성장기술이 반드시 확립되어야 하며, 현 단계에서는 전기방전합성기술, 레이저증착합성기술, 열화학증착성장기술, 열분해증착기술, 마이크로파 플라즈마화학증착성장기술, RF 플라즈마화학증착성장기술, ECR 플라즈마화학증착성장기술 등이 탄소나노튜브의 주된 성장기술로 제안되고 있다. 응용분야에 따라 약간씩 특징이 다르지만 탄소나노튜브성장과 관련된 주요핵심기술요소는 탄소나노튜브 수직성장기술, 대량생산기술, 저온성장기술, 대면적성장기술,지 가상적으로 표현되고 있는 표시소자들이 현실로 다가오면서 새로운 개념의 디스플레이가 출현함으로써, 현재 디스플레이 시장을 주도하고 있는 CRT는 다양한 영역에서 평판디스플레이로 대체되고 평판디스플레이를 주축으로 하는 새로운 시장이 형성될 것으로 예상된다. CRT의 뒤를 이어서 각광을 받게될 평판디스플레이로는 LCD, LED, PDP, FED, EL등이 현재 거론되고 있으나 상용화를 위해서는 아직은 극복해야할 난제들이 산재해 있다. 그 중에서도 고화질, 고효율, 저소비전력을 장점으로 하는 FED(Field Emission Display)는 현재 소형 휴대제품과 군사용 제품 등에 고화질 모니터로 사용되고 있다. FED의 핵심기술은 FED tip 가공기술과 재료의 안정성에 있는데, 아직까지는 실리콘 팁(Si tip)이나 몰리브덴 팁(Mo tip)을 주로 사용해 오고 있지만 안정성에 큰 문제가 있어서 앞으로는 가공하기 쉬우면서도 안정성이 높은 새로운 재료를 개발할 필요가 있다. 최근 탄소나노튜브를 FED tip으로 사용하려는 연구가 활발해짐에 따라 탄소나노튜브를 FED에 응용하려는 연구가 국내외적으로 진행되고 있다. FED 응용의 핵심기술은 먼저 전자방출용 tip을 뾰쪽하게 제작할 수 있어야하고, 제작된 tip이 bias를 걸었을 때 시간에 따라 특성이 저하되지 않아야 하며, 안정한 구조의 tip을 재연성있게 제작하는 것이 무엇보다도 가장 중요한 단계이다. FED는 유리를 기판으로 사용하기 때문에 저온성장기술이 필요하고, 아울러 고효율 전자방출을 위해서는 탄소나노튜브를 수직으로 성장시키거나 또는 수직으로 세우는 기술이 필요하다. 또 현재 Si 기판을 이용한 탄소나노튜브의 수직성장이 가능해지면 실리콘 기판위에서 기존의 실리콘 공정기술을 이용하여 Si-based optoelectronics를 구현할 수 있는 장점이 있다.한편 탄소나노튜브를 2차전지전극 및 연료전지에 응용할 경우에도 많은 기대효과를 얻을 수 있다. 2차전지에서 가장 중요한 문제는 전지의 무게를 줄이는 것 모두 만족시킬 수 있어 이 분야의 혁명적인 변화가 예상된다. 연료전지는 가능한 한 수소저장용량을 증가시켜야 하는데 탄소나노튜브의 빈 공간을 이용하여 수소를 저장하면 이 한계를 극복할 수 있을 것으로 예상된다. 탄소나노튜브는 무게가 가벼울 뿐만 아니라 튜브 내에 수소를 저장할 수 있는 공간이 많아서 단위 질량당 전하 저장능력이 뛰어나다. 또 탄소나노튜브는 구조가 안정하여 전극의 수명이 길다는 장점도 갖고 있는 이상적인 전극 재료라고 할 수 있다. 탄소나노튜브를 2차전지 전극으로 쓰면 전극의 무게를 현저히 줄일 수 있어 자동차 배터리, 충전용 건전지, 노트북 컴퓨터 등 소형인 이동형 전자제품에 응용할 수 있어 산업계에 커다란 파급효과를 가져올 수 있다. 또한 탄소나노튜브의 빈 공간에 수소를 저장하여 차세대 연료전지로 사용할 경우, 그 응용범위는 자동차를 비롯한 각종 시스템의 에너지분야에 다양하게 적용할 수 있다. 이러한 응용을 위해서는 먼저 다량으로 탄소나노튜브를 합성하는 합성기술이 선행되어야 한다. 즉 우선적으로 탄소나노튜브의 다량합성기술, 정제기술, 구조조절기술 등이 응용연구에 앞서 반드시 선행적으로 연구되어야 한다.오늘날 각종전자재료의 소형화 추세에 따라 반도체 메모리소자의 크기도 점점 작아져 이제는 대략 0.1 수준까지(예; 4G DRAM의 경우 최소 디자인 치수: 0.13 ) 조절해야 하기 때문에 그 가공기술은 거의 한계수준에 도달하고 있다. 탄소나노튜브는 직경 및 감긴 형태에 따라 전기적, 광학적물성을 조절 할 수 있을 뿐만 아니라 직경을 수십 nm 이하인 수준으로 합성할 수 있어서 현재의 실리콘 소자대신에 크기가 매우 작은 탄소나노튜브를 메모리소자에 응용할 경우 현재의 실리콘 공정기술에 의한 소자밀도의 한계를 극복할 수 있을 것으로 기대된다. 그러나 이러한 응용을 위해서는 고순도의 탄소나노튜브를 다량으로 만들 수 있어야 하고, 탄소나노튜브의 길이와 반경을 조절하며, 탄소나노튜브를 자유롭게 조작할 수 있는 기술을 개발해야 한다. 한편 mechatron막 배선방법대신에 탄소나노튜브를 배선으로 사용하면 우수한 효과가 예상된다. 이러한 경우 원하는 곳에 탄소나노튜브를 선택적으로 성장하는 기술이 필수적으로 요구된다.3. 탄소나노튜브 연구의 국내외 기술동향 및 수준(1) 국외의 기술동향 및 수준탄소나노튜브는 1991년도 일본의 NEC의 Iijima 박사에 의해 그 구조가 처음 발견된 이후로 미국, 영국, 독일 등 선진 각 국에서 탄소나노튜브에 관한 물성과 응용연구를 활발히 수행하여 성장기술에서 괄목할만한 연구 성과를 거두어, 1997년도에는 미국에서 세계 10대 hot 연구과제에 선정되기도 했다. 그러나 FED, 전지전극, 연료전지, 메모리소자 등의 응용을 위해서는 아직도 탄소나노튜브 성장기술면에서 해결해야할 과제가 산적해 있다.탄소나노튜브를 FED소자, 전지전극 및 연료전지, 메모리소자 등에 응용하기 위해서는 기초기반기술 측면에서는 수직성장기술, 저온성장기술, 대량생산기술, Si 기판이용기술, 대면적 성장기술 등 극복해야할 과제가 많이 있고, 소자응용기술 측면에서는 신뢰성있고 고효율인 FED 제조기술, 안정된 전극제조기술, 대용량 연료전지제작기술, transistor 구조 및 회로 설계기술, 탄소나노튜브 조작기술 등에서 앞으로 해결해야할 과제가 많다. 다행이 선진연구그룹의 탄소나노튜브 기초연구는 상당히 진척되어 있지만 탄소나노튜브의 응용연구는 아직 초보적 단계이므로 국내에서도 이분야에 효율적이고 집중적인 연구지원을 하면 조만간 외국의 선진연구그룹과 거의 동일한 수준에 도달할 수 있을 것으로 예상된다. 최근 일부 선진연구그룹에서 탄소나노튜브의 수직성장에 성공함으로써 FED 개발이 매우 빠른 속도로 진행되고 있고 또한 국제적인 공동연구도 활발하게 추진되고 있는 실정이다. 미국의 Motorola와 Candescent 사는 HP, Compaq, Sony와 공동투자하여 탄소나노튜브를 이용한 FED 제작연구를 이미 착수하였고, 일본의 Noridake, Canon, Fudaba등에서도 탄소나노튜브를 이용한 FED에 적용하기위없다.

공학/기술| 2003.12.13| 5페이지| 1,000원| 조회(825)

탄소, 실리콘, 나노, 튜브, 미세튜브

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