본문내용
1. 서론
1.1. 탄소나노튜브의 이론적 배경 및 기본 물성
탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT)는 나노크기의 흑연(탄소 동소체)면이 실린더 구조로 둥글게 말린 형태를 가지고 크기나 형태에 따라 독특한 물리적 성질을 가지는 거대분자(macromolecule)이다. 길이와 지름의 비가 132,000,000:1에 이르는 나노튜브도 만들어졌는데 이는 지금까지 알려진 물질 중 가장 높은 값이다. 탄소나노튜브는 특히 열전도율 및 기계적, 전기적 특성이 매우 특이하여 주로 탄소 섬유로 만들어지는 야구방망이나 골프채와 같은 다양한 구조 물질의 첨가제로도 사용되고 있다.
탄소나노튜브는 풀러렌 계열의 구조를 지니며, 그래핀이라는 탄소 원자 한 층으로 이루어진 막을 벽으로 하며 길고 속이 빈 튜브 모양으로 만들어졌기 때문에 탄소나노튜브라는 이름이 붙었다. 나노튜브는 단일 벽 나노튜브와 다중 벽 나노튜브로 나눌 수 있으며, 나노튜브는 반데르발스 힘에 의해 여러 가닥이 뭉쳐진 "로프" 형태로 정렬되는 경우가 많다. 나노튜브의 화학 결합은 흑연과 같은 sp2 결합만으로 구성되며, sp2 결합은 알케인이나 다이아몬드에서 볼 수 있는 sp3 결합보다 강하기 때문에 나노튜브의 강도가 매우 높다.
수직 정렬된 CNT(Vertically aligned CNT, VCNT)는 판 표면에 수직인 종축을 따라 배향된 탄소나노튜브로 이루어진 독특한 미세 구조이다. VCNT는 개별 탄소나노튜브의 고유한 이방성 특성을 효율적으로 보존하고 강조하며 정밀하게 제어할 수 있는 형태를 유지하므로, 현재 및 잠재적 장치 응용 범위에서 광범위하게 사용되고 있다.
1.2. 탄소나노튜브의 특성과 응용 분야
탄소나노튜브는 매우 독특한 물리적 성질을 가지고 있다. 먼저 열전도율과 전기 전도성이 매우 우수하다. 탄소나노튜브의 열전도율은 다이아몬드에 필적할 정도로 높으며, 전기 전도성 또한 구리를 능가한다. 또한 탄소나노튜브는 강도가 매우 강해서 강철보다 100배 이상 강하다. 이러한 특성으로 인해 탄소나노튜브는 다양한 분야에 응용될 수 있다.
첫째, 전자 및 전기 분야에서 활용될 수 있다. 탄소나노튜브는 전계 방출 특성이 뛰어나기 때문에 평판 디스플레이, 전자 방출 소자 등에 활용될 수 있다. 또한 전기 전도성이 우수하므로 전기 회로, 전자 소자의 도선 및 전극 재료로 사용될 수 있다.
둘째, 에너지 분야에서의 응용이 가능하다. 탄소나노튜브는 연료전지, 이차전지, 태양전지 등의 전극 재료로 활용될 수 있다. 특히 리튬 이차전지의 음극재로 사용되면 높은 에너지 밀도와 장수명의 특성을 얻을 수 있다.
셋째, 의료/생명공학 분야에서도 활용도가 높다. 탄소나노튜브는 생체 적합성이 좋고 생체막을 통과할 수 있어 바이오 센서, 약물 전달 시스템, 골 조직 재생 등에 응용될 수 있다. 또한 나노크기로 인해 세포 내 전달이 가능하여 유전자 치료나 암 치료에도 활용될 수 있다.
넷째, 소재 분야에서도 다양한 응용이 가능하다. 탄소나노튜브는 뛰어난 기계적 강도와 낮은 밀도로 인해 복합재료의 강화재로 활용될 수 있다. 또한 탄소나노튜브 필름은 투명성과 유연성이 뛰어나 디스플레이, 태양전지, 전자 소자의 투명 전극으로 사용될 수 있다.
이처럼 탄소나노튜브는 전기, 전자, 에너지, 의료, 소재 등 다양한 분야에서 주목받고 있는 소재이다. 향후 탄소나노튜브 기술의 발전에 따라 그 응용 범위는 더욱 확대될 것으로 기대된다.
2. 탄소나노튜브 합성 방법
2.1. 화학 기상 증착법(CVD)
CVD(Chemical Vapor Deposition)는 화학 기상 증착법을 말한다. CVD는 기판 위에 촉매에 해당하는 금속 물질(주로 금)을 배열한 뒤, 고온의 튜브 내에 반도체 물질을 구성하는 기체를 주입하면 촉매 주위로 결정성을 가진 반도체 물질이 성장되는 방식이다. 쉽게 설명하면 원하는 물질을 포함하고 있는 기체 상태의 원료 가스가 반응기 안으로 주입되면 열이나 플라즈마 등으로부터 에너지를 받게 되어 분해하는데, 이때 원하는 물질이 기판위에 도달하여 막을 형성하는 기술이다.
CVD는 주로 반응기에 주입된 기체들이 가열된 기판 위에서 화학반응을 통해 박막을 형성하는 공정으로, 반도체(Si, GaAs, SiC), 절연막(...
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