탄소나노튜브(Carbon Nano Tube)의 장점과 단점

탄소나노튜브는 가장 촉망받는 신소재 중 하나입니다. 오늘은 탄소나노튜브의 정의와 장단점에 대해 대해 알아보겠습니다. 

 

1. 정의

- 탄소나노튜브는 6각형 고리로 연결된 탄소들이 긴 대롱 모양을 이루는 지름 1나노미터(1나노미터는 10억분의 1m) 크기의 미세한 분자

- 탄소원자가 3개씩 결합해 벌집 모양의 구조를 갖게 된 탄소평면이 도르르 말려서 튜브모양이 된 것

 

2. 장점/단점

<장점>

1) 전기적 성질

주변 환경에 따라 도체가 되거나 반도체가 되는 전기적 성질이 있다. 나노튜브 한 가닥일때는 금속과 같은 전기적 도체이다. 그러나 다발이거나 여러 가닥을 밧줄 모양으로 꼬아 모양을 변형시키면, 즉 탄소원자 배열이 달라지면 전기가 덜 통하게 되는 반도체가 된다.

 

이는 도체가 모여 반도체가 되는 셈이다. 현재 반도체 재료로 가장 널리 쓰이는 실리콘이 기억소자나 트랜지스터 등에 이용되려면 반드시 도핑 과정을 거쳐야 한다.

 

*도핑 : 순수한 반도체는 전기를 거의 통하지 못한다. 따라서 인과 같은 소량의 불순물을 섞어 전기가 어느 정도 통하게 만드는 도핑 처리를 해야 반도체로 쓰인다. 도핑 처리 기술은 어렵다.

 

하지만 원래 전기적으로 도체인 탄소나노튜브는 일부러 도핑을 하지 않아도 튜브와 튜브가 상호작용하면서 저절로 도핑이 된 듯 전기적 성질이 도체에서 반도체로 변한다. 이러한 점은 현재의 반도체보다 1만배 정도 집적도가 높은 칩을 만들 수 있다.

 

2) 유연성

구리나 철에 비해 훨씬 유연하다. 기존 마이크로미터 탄소 섬유는 1%만 변형되도 끊어지는 단점이 있으나 탄소나노튜브는 훨씬 유연하여 15%의 변형에도 끊이지 않고 잘 부러지지 않아 공정이 쉬워진다.

 

3) 탄성

탄성이 굉장이 좋은 재료로, 힘을 가했다가 풀었을 때 탄성으로 인해 금방 다시 원래의 모습으로 돌아온다. 또한 힘을 받았던 부분 역시 전혀 손상이 되지 않는다. 여러 번 사용해도 전혀 구조가 변하지 않는 특성이 장점이다.

 

<단점>

1) 비싼 가격

금보다 30배쯤 비싼 가격 탓에 탄소나노튜브의 경제성이 떨어졌다. 그러나 국내 삼성종합기술원이 상온에서 간편하게 CNT를 합성하는 기술을 개발하여 생산 단가를 현저히 낮추는 실마리를 찾은 상태이다.

 

2) 도체/반도체적 특성

CNT의 도체/반도체적 특성은 장점이자 단점. 반도체 칩을 만들 경우 테라바이트 급 집적도가 가능. 반면에 도체와 반도체성이 섞인 상태로 만들어 지므로 이를 완벽히 조절하 수 없는 점이 상용화의 가장 큰 어려움이고 지난 20년간 풀리지 않는 숙제.

 

3) CNT의 Cutting

CNT를 일정한 길이로 자르는 일. 탄소나노튜브를 자르는 기본 개념은 1990년대에 이미 개발되어 알려졌다. 기본 원리는 강한 산성 용액속에 있는 탄소나노튜브의 뒤죽박죽 된 묶음에 초음파로 충격을 가하면 부분적인 진공이 형성되는데 이러한 진공에서 공기 방울이 형성된다.

 

그 공기방울이 5000도라는 초고온에 이르면서 폭발해 나노 튜브를 찢는 다는 것. 하지만 그 공정 원리가 정확히 밝혀지지 않아 이를 해결해야 함이 문제로 남았다.

3. 응용 분야

<평판 디스플레이>

탄소나노튜브 응용 중 가장 두드러진 응용 분야 중 하나가 평판 디스플레이다. 이것은 FED(전계방출 디스플레이)로, 전자를 방출시켜 전면 유리판에 입혀진 형광체를 때리며 빛을 얻게 되는 디스플레이이다.

 

하지만 FED를 동작시 전자를 쏘는 금속 탐침은 만드는 과정이 비싸고 수명도 짧기 때문에 최근 삼성 SDI는 CNT를 적용하였다. 탄소나노튜브는 실험실에서 쉽게 만들 수 있다.

 

길이가 수 마이크론 정도이고 직경이 수십 나노 이하이므로 끝이 뾰쪽하고 길이 대 직경의 비가 아주 커서 낮은 전압에서도 많은 전자를 방출할 수 있는 장점이 있다. 또 가장 강한 공유결합을 하고 있는 흑연과 비슷한 구조를 하고 있기 때문에 화학적으로도 안정하다.

 

<트렌지스터>

탄소나노튜브의 또 다른 흥미 있는 응용 분야는 트랜지스터이다. 보통 트랜지스터는 전자 혹은 홀이 지나갈 수 있는 '채널'이 구성되어 있다. 채널은 보통 반도체의 경우 불순물을 주입하여 전하 운반자가 잘 흐를 수 있도록 만든다.

 

소자의 동작속도는 이 채널 속을 지나가는 전자이동속도에 달려 있다. 따라서 채널의 길이를 줄이면 소자의 동작속도를 증가시킬 수 있다. 더불어, 소자를 작게 만들면 메모리 밀도를 증가시킬 뿐만 아니라 속도 면에서도 이득이 있다.

 

그런데 기존의 식각방법으로는 소자의 크기를 줄이는 데 한계가 있다. 탄소나노튜브는 우선 크기가 수 나노로 이미 작게 만들어져 있고, 일차원적인 구조를 가지고 있어서 전자나 홀이 거의 아무런 저항 없이 잘 흐를 수 있기 때문에 채널의 소재로서 여러 가지 이점이 있다.

 

<나노복합체>

탄소나노튜브는 역학적·전기적 성질이 우수하다. 이런 성질은 기존 제품의 성능 개선에 결정적인 역할을 할 수 있다. 예를 들면 전도성 고분자라는 것이 있다. 모든 고분자는 완전 절연체이지만 일부 재료는 약간의 전도성을 띠고, 이런 재료는 정전기 방지용 덮개, 전지전극재료 등에 쓰인다. 그러나 전도도를 금속 수준으로 올리기가 쉽지 않다.

 

만약 이 재료에 탄소나노튜브를 약간 섞어 나노복합체를 만들면 전도성은 탄소나노튜브를 넣는 양에 따라 조절할 수 있다. 또 강도를 증가시키기 위해 고강도성 고분자에 나노튜브를 섞을 때에도 나노튜브의 양을 조절해 강도를 제어할 수 있다. 또 세라믹재료에 탄소나노튜브를 응용하여 깨지기 쉬운 성질을 개선할 수도 있다.

 

미국의 제너럴 일렉트릭사는 정전기 방지용 탄소나노튜브 복합체를 개발하여 이미 자동차에 응용하고 있으며, 페인트의 접착력을 키우는 데도 탄소나노튜브를 쓰고 있다.

 

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