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What is Nanotube? |
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Ⅰ. 서론
최근까지 탄소의 결정체로 알려진 물질로는 흑연과 다이아몬드 뿐이었다 (그림1(a)).
그런데 1985년 영국 Sussex대학의 Kroto와 미국 Rice대학의 Smalley는 흑연을 레이저로 증기화 시키는 실험에서, 제3의 탄소 동소체로 불리는 플러린(fullerene)의 존재를 처음 발견하게 되었다.1). 이후 1990년 독일의 Krätshmer와 Arizona대학의 Huffman은 레이저 대신 아크방전법(arc discharge)을 이용하여 플러런의 대량생산에 성공하였고,2) 이는 탄소물질의 연구에 있어 새로운 활기를 불어넣는 계기가 되었다. 이러한 연구 중 가장 중요한 결과로 볼 수 있는 것이 탄소나노튜브의 발견이었다. 1991년 일본전기의 전자현미경 분석가였던 Iijima박사는 아크방전법에 의해 생성된 음극 위의 증착물을 고배율-투과 전자현미경(HR-TEM)으로 분석하는 과정에서 처음으로 탄소나노튜브를 발견하였다.3)
2. 탄소나노튜브의 구조
2-1. 탄소의 결합 5,6) 탄소원자는 원자번호가 6이며 바닥상태에서는 1s22s22p2 구조의 전자배열을 갖지만, 다른 원자와 공유결합을 하기 위해서는 전자배열의 재배치가 이루어 진다.
이러한 재배치는 2s 궤도함수의 전자 한 개가 2p 궤도함수로 전이한 후, s 궤도함수와 p 궤도함수가 혼합되어 나타나는 혼성궤도함수를 갖게끔 이루어진다. 하나의 s 궤도의 전자와 1개의 p 궤도의 전자가 혼합되어 2개의 혼성궤도함수를 형성하면 sp구조라 하고, 하나의 s 궤도의 전자와 2개의 p 궤도의 전자가 혼합되어 3개의 혼성궤도함수를 형성하면 sp2구조, 하나의 s 궤도의 전자와 3개의 p 궤도의 전자가 혼합되어 4개의 혼성궤도함수를 이루는 경우를 sp3 구조라 한다(그림2).5) 탄소원자가 결정체를 형성하기 위해 갖을 수 있는 혼성궤도함수는 sp3와 sp2 구조이다. sp3 구조는 4개의 혼성궤도함수를 갖기 때문에 4개의 다른 원자와 δ 결합의 강한 결합을 하여 다이아몬드를 형성한다. 이와 달리 sp2 구조는 3개의 혼성궤도함수로, 평면상에서 3개의 다른 탄소원자와 δ 결합을 하여 육각형 판상구조의 흑연면을 형성한다. 이때 나머지 p 궤도함수의 전자는 다른 원자의 p 궤도함수의 전자와 π 결합의 약한 결합을 이룬다. 이 약한 결합의 전자에 의해서 흑연면은 상대적으로 큰 전기전도도를 갖을 수 있을 뿐 아니라, δ 결합과 결부되어 다이아몬드보다 더 강한 결합 에너지를 갖게 된다.6) 일상에서 흑연이 매우 쉽게 부서지는 이유는, 여러 층의 흑연면이 매우 약한 결합의 van der waals 결합으로 적층되어 있어 면간 사이가 쉽게 끊어지기 때문이지, 흑연면 자체의 결합이 끊어지는 것이 아니다.
2-2. 탄소나노튜브의 구조
sp2 결합으로 되어 있는 하나의 흑연면을 둥글게 말아 놓은 구조가 탄소나노튜브이다. 이때 `흑연면을 어느 각도로 말 것인가’, `튜브의 직경이 얼마나 되게 말 것인가’에 따라 탄소나노튜브의 특성을 결정하는 구조와 직경이 정해진다.8) 각각의 튜브 구조를 분류하는 일반적인 방법은 벌집 구조의 흑연 격자 위의 두 점을 연결하는 벡터 Ch로 표시하는 방법이다.9)
그림3(a)에서 볼 수 있듯이 임의의 원점(O)을 벡터의 시작점으로 하고, 둥글게 말았을 때 이 원점과 접하게 되는 점을 벡터의 종점(A)으로 하여 벡터 Ch가 이루어진다. 종점(A)의 위치를 (n,m)으로 표시하고, 단위벡터를 a1과 a2로 나타냈을 때, Ch는 다음과 같다. Ch = na1 + ma2 여기서 n과 m만으로 하나의 탄소나노튜브를 지칭하여 (n,m) 형태로 나타낸다. 이렇게 (n,m)으로 표시함으로써 다음의 식으로 탄소나노튜브의 직경을 쉽게 구할 수 있다. dt = 0.246 (n2+nm+m2)1/2 / π 탄소나노튜브의 특수한 형태로 그림3(b)에서처럼 n과 m이 같을 때 튜브 끝의 모양이 팔걸이의자와 같다고 해서 armchair 튜브라 하고, m이 0일 때 끝 모양이 지그재그 형태이어서 zigzag 튜브로 분류한다. 실제적으로 대부분의 탄소나노튜브는 임의의 튜브 축을 따라서 나선형으로 배열된 chiral 구조를 갖는다. 이렇게 하나의 흑연면을 말아서 생긴 탄소나노튜브를 단일벽나노튜브(SWNT; singlewall nano- tube)라 하고 여러층을 말은 것을 다중벽나노튜브(MWNT; multiwall nanotube)라 한다(그림3(c)). 다중벽나노튜브의 구조는 기존에 많은 연구가 이루어 졌던 기상합성 탄소섬유와 깊은 관련이 있다.10)
3. 탄소나노튜브의 특성과 응용
탄소나노튜브의 특성은 우선 형태상으로 매우 큰 지름-길이 비(aspect ratio: ~1000)를 갖고 있고, 튜브의 직경과 구조에 따라 도체 또는 반도체의 특성을 보이며, 도체의 탄소나노튜브의 경우 매우 우수한 전기전도도를 갖는다고 보고 되었고,8,11) 또한 매우 강한 기계적 강도, 테라 단위의 영률(Young’s modulus), 우수한 열전도도 등의 특성을 갖고 있다.12~14) 예상할 수 있는 응용분야로는 FED(Field emission display), 백색광원 등의 각종 장치의 전자방출원(electron emitter), 리튬이온 2차전지 전극, 연료전지의 수송저장 매체, 나노 와이어(nano-wire), AFM/STM등의 탐침(probe), 단전자 소자 (FET : Field Effect Transistor), 고기능 복합체(composites) 등이 있으며, 전자방출원으로의 이용은 이미 상용화 단계까지 연구가 이루어졌다. 15~21)
4. 탄소나노튜브의 합성 방법
탄소나노튜브의 합성방법은 크게 두 가지로 분류할 수 있다. 첫째는 흑연과 같은 고상의 탄소를 기화 시킨 후, 냉각되는 과정에서 탄소나노튜브가 생성될 수 있는 조건을 만들어 주는 방법으로, 고상의 탄소를 기화 시키기 위해 아크방전과 레이저 등이 이용된다. 두 번째는 탄화수소가스와 같은 탄소를 포함하고 있는 기체를 촉매금속과 반응시켜 탄소나노튜브를 합성하는 방법으로, 다양한 화학기상증착 방법이 사용된다.
4-1. 아크방전법(arc discharge)에 의한 합성22) 탄소나노튜브를 합성하기 위한 전형적인 아크방전 장치를 그림4에 나타내었다. 그림에서는 전극이 수평으로 배치 되어 있지만 수직으로 배치된 장치도 있다. 두 개의 탄소전극 사이에 교류 혹은 직류를 가해 방전을 일으키는데 현재는har-indent-size:9.0pt" align="justify"> | ||||||||||||||||||
