탄소나노튜브(CNT)는 탄소 원자들이 육각형 모양으로 연결되어 원통형 구조를 이루는 신소재입니다. 전기 및 열 전도율이 구리와 다이아몬드와 동일하고, 강도는 철강의 100배에 달합니다. 탄소나노튜브는 1991년 일본 NEC 연구소의 이이지마 스미오 박사가 전자 현미경을 통해 처음 확인하였으며, 나노기술, 전기공학, 광학 및 재료공학 등 다양한 분야에서 유용하게 쓰일 수 있습니다. 이 글에서는 탄소나노튜브의 정의, 종류, 특성, 적용분야, 미래가치, 문제점과 해결점에 대해 간단히 소개하겠습니다.
탄소나노튜브란 무엇인가요?
탄소나노튜브는 탄소 원자들이 육각형 모양으로 연결되어 원통형 구조를 이루는 신소재입니다. 탄소나노튜브의 지름은 수 나노미터(nm) 정도로 극히 작으며, 길이는 수 마이크로미터(μm)에서 수 밀리미터(mm)에 이릅니다. 탄소나노튜브는 그래핀이라는 탄소 원자 한 층으로 이루어진 막을 벽으로 하며 길고 속이 빈 튜브 모양으로 만들어졌기 때문에 탄소 나노튜브라는 이름이 붙었습니다. 그래핀을 둥그렇게 마는 각도에 따라 다른 나노튜브가 만들어질 수 있는데, 이렇게 말리는 각도와 지름에 의해 금속이 될 수도 있고 반도체가 될 수도 있습니다.
탄소나노튜브의 종류
탄소나노튜브는 그래핀이라는 탄소 원자 한 층으로 이루어진 막을 벽으로 하며 길고 속이 빈 튜브 모양으로 만들어집니다. 그래핀을 둥그렇게 말리는 각도에 따라 다른 나노튜브가 만들어질 수 있습니다. 이렇게 말리는 각도와 지름에 의해 탄소나노튜브는 금속성이 될 수도 있고 반도체성이 될 수도 있습니다. 탄소나노튜브는 단일벽 나노튜브(Single-walled carbon nanotube, SWCNT)와 다중벽 나노튜브(Multi-walled carbon nanotube, MWCNT)로 나눌 수 있습니다. 단일벽 나노튜브는 한 겹의 그래핀으로 이루어진 나노튜브이고, 다중벽 나노튜브는 여러 겹의 그래핀이 쌓여서 이루어진 나노튜브입니다. 다중벽 나노튜브는 단일벽 나노튜브보다 더 안정적이고, 합성하기도 쉽습니다. 하지만, 단일벽 나노튜브는 다중벽 나노튜브보다 더 높은 전기 전도도와 광학 특성을 가집니다.
탄소나노튜브의 특성
탄소나노튜브는 탄소 원자들 사이에 형성된 sp2 공유결합 때문에 매우 높은 강도와 탄성률을 가집니다. 탄소나노튜브는 인장 강도와 탄성률의 측면에서 지금까지 발견된 가장 단단하고 강한 물질이며, 이는 탄소 원자들 사이에 형성된 sp2 공유결합 때문입니다. 2000년, 다중벽 탄소나노튜브는 63기가파스칼(GPa)의 인장 강도를 가지고 있다는 것이 실험을 통해 증명되었습니다. 이후 이어진 2008년의 실험에서, 각각의 탄소나노튜브 껍질들은 100기가파스칼 이상의 강도를 가지고 있다는 것이 밝혀졌습니다. 탄소나노튜브는 고체 상태일 때 1.3~1.4g/cm3의 낮은 밀도를 가지기 때문에 48,000 kN·m·kg-1의 비강도는 154 kN·m·kg-1의 고탄소강과 비교해도 탄소 나노튜브가 더 강함을 알 수 있습니다.
탄소 나노튜브는 전기적, 열적 특성도 뛰어납니다. 탄소 나노튜브는 그래핀을 둥그렇게 말 때의 방향에 따라 금속성이 될 수도 있고 반도체성이 될 수도 있습니다. 금속성 탄소 나노튜브는 전기 저항이 거의 없는 볼륨 효과를 보이며, 반도체성 탄소 나노튜브는 밴드갭이 지름에 비례하여 변화합니다. 탄소 나노튜브는 구리와 비슷하거나 더 높은 전기 전도도를 가지며, 다이아몬드와 비슷하거나 더 높은 열 전도도를 가집니다. 탄소 나노튜브는 또한 광학적 특성도 가지고 있습니다. 탄소 나노튜브는 가시광선과 적외선 영역에서 흡수와 발광을 보이며, 이는 탄소 나노튜브의 구조와 밴드구조에 의해 결정됩니다.
탄소나노튜브의 적용분야
탄소나노튜브는 그들의 탁월한 물리적, 화학적, 전기적 특성을 이용하여 다양한 분야에서 응용될 수 있습니다. 예를 들면, 다음과 같은 분야에서 탄소나노튜브가 사용되거나 연구되고 있습니다.
- 나노전자공학: 탄소 나노튜브는 금속성이나 반도체성을 가질 수 있기 때문에, 트랜지스터, 다이오드, 메모리, 센서, 디스플레이 등의 나노전자소자로 활용될 수 있습니다. 탄소 나노튜브는 실리콘과 비교하여 더 작고 빠르며 저전력의 전자소자를 만들 수 있습니다.
- 에너지: 탄소 나노튜브는 전기 및 열 전도율이 뛰어나기 때문에, 배터리, 연료전지, 태양전지, 초전도체 등의 에너지 저장 및 전달 장치로 사용될 수 있습니다. 탄소 나노튜브는 리튬 이온 배터리의 용량을 크게 개선하고, 태양전지의 효율을 높이고, 초전도체의 임계온도를 높일 수 있습니다.
- 재료공학: 탄소 나노튜브는 강도와 탄성률이 매우 높기 때문에, 다른 재료와 복합하여 강화재료로 사용될 수 있습니다. 탄소 나노튜브는 야구방망이나 골프채, 자동차 부품, 다마스쿠스 강 등에 탄소섬유로 만들어져 첨가되기도 합니다. 탄소 나노튜브는 또한 낮은 밀도와 높은 비강도를 가지기 때문에, 항공우주 분야에서도 사용될 수 있습니다.
- 바이오나노공학: 탄소 나노튜브는 생체적합성과 화학적 변형성을 가지기 때문에, 의료 및 생명공학 분야에서도 응용될 수 있습니다. 탄소 나노튜브는 약물전달, 유전자전달, 조직공학, 바이오센서, 바이오이미징 등에 사용될 수 있습니다. 탄소 나노튜브는 또한 암세포를 특이적으로 인식하고 치료할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
- 전기전도 소재: 탄소 나노튜브는 금속과 같은 높은 전기전도도를 가지기 때문에 전선, 절연재료, 반도체, 센서, 디스플레이 장치, 대전방지제품 등에 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 탄소 나노튜브를 이용한 투명 전도성 필름은 터치스크린, 유연한 디스플레이, 태양전지 등에 적용될 수 있습니다. 또한, 탄소 나노튜브는 전자 수송력이 뛰어나기 때문에 트랜지스터, 메모리, 논리소자 등의 전자소자에도 사용될 수 있습니다.
- 방열 소재: 탄소 나노튜브는 다이아몬드와 비슷한 높은 열전도율을 가지기 때문에 열을 효과적으로 전달하거나 방출할 수 있는 소재로서 방열 소재로 활용될 수 있습니다. 예를 들어, 탄소 나노튜브를 이용한 LED는 열을 잘 방출하기 때문에 고효율과 장수명을 가질 수 있습니다. 또한, 탄소 나노튜브를 도료, 방열필름, 방열판, Heat Sink, 자동차부품 등에 첨가하면 열전도율을 향상시킬 수 있습니다.
- 발열 소재: 탄소 나노튜브는 전류가 흐르면 열을 발생시키는 성질을 가지고 있습니다. 이를 이용하여 발열 소재로 활용될 수 있습니다. 예를 들어, 탄소 나노튜브를 이용한 Paste, 발열필름, 전도성필름, 잉크, 면 발열체 등은 낮은 전압으로도 높은 온도를 유지할 수 있으며, 유연하고 가볍고 안전한 발열 소재로서 의료, 군사, 농업 등에 적용될 수 있습니다.
- 에너지/전극소재: 탄소 나노튜브는 높은 표면적과 전도성으로 에너지 저장 및 전환 장치의 전극 소재로서 탁월한 성능을 보입니다. 예를 들어, 탄소나노튜브를 이용한 리튬 이온 배터리는 용량과 성능을 향상시킬 수 있으며, 탄소 나노튜브의 유연성과 가벼움은 유연한 배터리의 제작에도 유리합니다. 또한, 탄소나노튜브는 수소저장체, 슈퍼케페시터, 연료전지 등의 에너지 장치에도 적용될 수 있습니다.
- 전계 방출 소재: 탄소 나노튜브는 낮은 전계 방출 임계 전압과 높은 전계 방출 밀도를 가지기 때문에 전계 방출 소재로서 우수한 특성을 보입니다. 전계 방출이란 전기장이 강한 곳에서 전자가 방출되는 현상을 말합니다. 탄소 나노튜브는 뾰족한 끝부분에서 전자를 쉽게 방출할 수 있습니다. 이를 이용하여 평판디스플레이, X-선 발생장치, 나노램프, 트랜지스터, 기체센서 등에 사용될 수 있습니다.
- 초경량/강도보강 소재: 탄소 나노튜브는 강철보다 100배 이상 강하고, 무게는 1/4 이하로 가볍기 때문에 초경량이면서 강도가 높은 복합재료의 제작에 활용될 수 있습니다. 예를 들어, 탄소 나노튜브를 세라믹, 금속과 결합하여 항공기 부품, 스포츠 장비 등 가볍고 강한 복합재료를 생산할 수 있습니다. 또한, 탄소나노튜브는 자동차/항공 보강재, 스포츠용품, 에너지외장재 등에도 사용될 수 있습니다.
탄소나노튜브의 미래가치
탄소나노튜브는 현재까지 알려진 물질 중 가장 강하고 전도성이 뛰어난 물질이기 때문에, 미래의 과학기술 발전에 큰 기여를 할 수 있습니다. 탄소나노튜브는 또한 나노크기의 특성을 가지기 때문에, 미세한 구조와 기능을 가진 나노머신이나 나노로봇을 만드는 데 필수적인 재료입니다. 탄소나노튜브는 다음과 같은 미래의 기술들에 활용될 수 있습니다.
- 스페이스 엘리베이터: 탄소 나노튜브는 강도와 탄성률이 매우 높기 때문에, 지구와 우주를 연결하는 스페이스 엘리베이터의 케이블로 사용될 수 있습니다. 스페이스 엘리베이터는 우주 탐사와 개발에 혁명을 일으킬 수 있는 기술로, 탄소 나노튜브의 대량 생산이 가능해진다면 실현될 수 있습니다.
- 퀀텀 컴퓨터: 탄소 나노튜브는 금속성이나 반도체성을 가질 수 있기 때문에, 퀀텀 컴퓨터의 기본 요소인 퀀텀 비트로 사용될 수 있습니다. 퀀텀 컴퓨터는 기존의 컴퓨터보다 훨씬 빠르고 효율적인 연산을 수행할 수 있는 기술로, 탄소 나노튜브는 퀀텀 비트의 안정성과 조작성을 높일 수 있습니다.
- 나노메디슨: 탄소 나노튜브는 생체적합성과 화학적 변형성을 가지기 때문에, 의료 및 생명공학 분야에서도 응용될 수 있습니다. 탄소 나노튜브는 약물전달, 유전자전달, 조직공학, 바이오센서, 바이오이미징 등에 사용될 수 있습니다. 탄소 나노튜브는 또한 암세포를 특이적으로 인식하고 치료할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
탄소나노튜브의 문제점과 해결점
탄소 나노튜브는 많은 장점을 가지고 있지만, 아직도 해결해야 할 문제점들이 있습니다. 다음은 탄소 나노튜브의 주요 문제점과 해결점에 대한 내용입니다.
- 가격: 탄소 나노튜브는 현재 가장 비싼 나노물질 중 하나입니다. 탄소 나노튜브의 가격은 그 종류와 품질에 따라 다르지만, 대략 1그램당 수십 달러에서 수백 달러에 이릅니다. 탄소 나노튜브의 가격을 낮추기 위해서는 대량 생산이 가능한 합성 방법과 정제 방법의 개발이 필요합니다. 현재 연구자들은 화학증기침착법 (CVD), 레이저 증발법, 아크 방전법 등의 다양한 합성 방법을 연구하고 있습니다.
- 독성: 탄소 나노튜브는 생체적합성을 가지고 있지만, 동시에 생체에 유해한 영향을 미칠 수도 있습니다. 탄소 나노튜브는 세포막을 통과하거나 세포 내부에 침투할 수 있으며, 염증, 산화 스트레스, DNA 손상, 암 발생 등의 부작용을 일으킬 수 있습니다. 탄소 나노튜브의 독성을 줄이기 위해서는 탄소 나노튜브의 표면을 기능화하거나 다른 생체분자와 결합시키는 방법이 필요합니다. 예를 들어, 폴리에틸렌글리콜 (PEG)이나 폴리아미드 (PA)와 같은 고분자를 탄소 나노튜브에 부착시키면, 탄소 나노튜브의 생체분산성과 생체호환성을 높일 수 있습니다.
- 표준화: 탄소 나노튜브는 그래핀을 말리는 각도와 지름에 따라 다른 종류의 탄소 나노튜브가 만들어질 수 있습니다. 이렇게 만들어진 탄소 나노튜브는 각각 다른 물성을 가지기 때문에, 탄소 나노튜브의 표준화가 필요합니다. 탄소 나노튜브의 표준화를 위해서는 탄소 나노튜브의 구조와 물성을 정확하게 측정하고 분류하는 방법이 필요합니다. 현재 연구자들은 광학현미경, 전자현미경, 분광학, 전기화학 등의 다양한 분석 기법을 이용하여 탄소 나노튜브의 표준화를 위해 노력하고 있습니다.
- 합성: 탄소 나노튜브는 일반적으로 화학증기침적법 (CVD)이나 아크방전법과 같은 고온의 물리화학적 방법으로 합성됩니다. 이러한 방법들은 탄소 나노튜브의 수율과 순도가 낮고, 구조와 특성이 제어하기 어렵다는 단점이 있습니다. 또한, 탄소 나노튜브의 가격이 매우 높아 상용화에 어려움이 있습니다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 저온의 생물학적 방법이나 자기장을 이용한 방법과 같은 새로운 합성법의 개발이 필요합니다 . 또한, 탄소 나노튜브의 대량생산과 표준화가 필요합니다.
- 분산: 탄소 나노튜브는 강한 반데르발스 힘과 소수성을 가지기 때문에 수용액이나 유기용매에 잘 분산되지 않고, 다른 소재와의 혼합이 어렵습니다. 이러한 문제점은 탄소 나노튜브의 응용을 제한하는 요인이 됩니다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 탄소 나노튜브의 표면을 적절한 계면활성제나 고분자로 처리하여 분산성을 향상시키는 방법이 필요합니다 . 또한, 탄소 나노튜브의 정렬과 조립을 통해 원하는 형태와 구조를 만들 수 있는 방법이 필요합니다.
이상으로 탄소 나노튜브의 문제점과 해결점에 대해 알아보았습니다. 탄소 나노튜브는 다양한 분야에 혁신적인 변화를 가져올 수 있는 신소재로서 많은 관심과 연구가 필요합니다. 이 글이 탄소 나노튜브에 대해 알고 싶으신 분들께 도움이 되었으면 좋겠습니다. 감사합니다. 😊