탄소 나노튜브(CNT, carbon nanotube)란?
탄소 나노튜브(CNT)는 가장자리에 육각형 흑연 분자가 부착된 소형 원통형 탄소 구조입니다. 이는 직경이 1nm(nm) 미만인 단일벽(SWCNT) 또는 100nm 이상에 도달하는 직경을 갖는 여러 개의 동심으로 상호 연결된 나노튜브로 구성된 다중벽(MWCNT) 일 수 있습니다. 길이는 수 마이크로미터 또는 밀리미터에 이를 수 있습니다. 나노튜브는 가루나 검은 그을음처럼 보이지만 실제로는 한 원자 두께의 벽으로 속이 빈 가닥을 형성하는 그래핀의 롤업 시트입니다. 버키 튜브라고도 불리는 나노튜브는 측지 돔과 유사한 구조인 풀러렌(Fullerene)에서 개발되었습니다. 실험실에서 만들어진 나노튜브는 강하고 칩 제조업체에 바람직한 많은 열적 및 전기적 특성을 나타냅니다. 예를 들어 탄소 나노튜브는 다양한 컴퓨팅 장치에서 잠재적으로 실리콘을 대체하는 반도체로 사용될 수 있습니다. 나노튜브는 동심 실린더의 수, 실린더 반경 및 실린더 길이로 특징지을 수 있습니다. 일부 나노튜브는 세로 비틀림의 표현인 키랄성(chirality)이라는 특성을 가지고 있습니다. 여러 나노튜브를 나노머신이라고 하는 미세한 기계 시스템으로 조립할 수 있습니다.
탄소 나노튜브가 만들어지는 방법과 그 속성
탄소 나노튜브는 어떻게 만들어질까요? CNT의 생산에는 현재 세 가지 주요 방법이 있습니다. 아크 방전, 흑연의 레이저 제거 및 화학 기상 증착(CVD)입니다. 처음 두 공정에서 흑연은 전기적으로 또는 레이저를 통해 연소되고 기체 상태에서 발생하는 CNT가 분리됩니다. 세 가지 방법 모두 촉매로 금속(예: 철, 코발트, 니켈)을 사용해야 합니다.
CVD 공정은 더 쉽게 제어할 수 있는 조건에서 더 낮은 비용으로 더 많은 양의 CNT를 생산할 수 있기 때문에 현재 가장 큰 가능성을 가지고 있습니다. CVD 공정에서 제조업체는 금속 촉매(예: 철)와 탄소 함유 반응 가스(예: 수소 또는 일산화탄소)를 결합하여 고온 용광로 내부의 촉매에 탄소 나노튜브를 형성할 수 있습니다. CVD 공정은 순전히 촉매적이거나 플라즈마 지원될 수 있습니다. 후자는 촉매 공정(최대 750°C)보다 약간 낮은 온도(200-500°C)를 필요로 하며 '잔디 같은' CNT 성장을 생성하는 것을 목표로 합니다.
고순도의 탄소나노튜브를 얻기 위해 합성기술이 향상되었음에도 불구하고 금속 나노튜브의 끝부분에 금속으로 봉입된 나노입자, 탄소 나노튜브의 끝부분에 금속입자, 비정질 탄소 등 불순물을 포함하는 부산물의 형성은 피할 수 없는 현상이었습니다. 나노튜브 성장에 필수적입니다. 이러한 외래 나노입자는 합성 과정에서 발생하는 구조적 결함과 함께 생성된 탄소 나노튜브의 물리 화학적 특성을 변형시킨다는 안타까운 함의를 갖고 있습니다. 그렇기 때문에 탄소 나노튜브는 생산 과정의 마지막에 산처리나 초음파 등 다양한 방법을 통해 정제해야 합니다.
탄소 나노튜브 특성과 활용
그래핀에서 물려받은 전기적 특성 외에도 CNT는 고유한 열적 및 기계적 특성을 가지고 있어 새로운 재료 개발에 흥미를 유발합니다. 기계적 인장 강도는 강철의 400배입니다. 매우 가벼우며 밀도는 강철의 6분의 1입니다. 열전도율은 다이아몬드보다 우수합니다. 매우 높은 종횡비를 가지고 있습니다. 즉, 길이와 관련하여 매우 얇습니다. 흑연과 마찬가지로 화학적으로 매우 안정적이며 고온과 산소에 동시에 노출되지 않는 한 거의 모든 화학적 영향에 저항합니다. 이러한 특성은 부식에 매우 강합니다. 속이 빈 내부는 다양한 나노 물질로 채워져 주변 환경으로부터 분리 및 보호할 수 있습니다. 이는 약물 전달과 같은 나노 의학 응용 분야에 매우 유용한 특성입니다. 이러한 모든 특성으로 인해 탄소 나노튜브는 전자 장치, 화학/전기화학 및 바이오센서, 트랜지스터, 전자 전계 방출기, 리튬 이온 배터리, 백색 광원, 수소 저장 전지, 음극선관(CRT), 정전기 방전(ESD) 및 전기 차폐 응용 프로그램에 사용될 수 있습니다.
