[지상강좌] 탄소나노튜브의 합성과 응용

서론

탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)는 1985 년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체(allotrope) 의 하나인 Fullerene(탄소 원자 60개가 모인 것：

C60)을 처음으로 발견한 이후, 1991년 일본전기 회사(NEC) 부설 연구소의 Iijima 박사가 전기방 전시 흑연 음극상에 형성된 탄소덩어리를 투과전 자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여 Nature에 처음으로 발표하였다. 탄소나노튜브에 서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp²결합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며, 이 튜브의 직경이 대략 수 나노미터(nanometer, nm) 정도로 극히 작기 때문에 나노튜브라고 부르 게 되었다.

탄소나노튜브는 흑연면(graphite sheet)의 결합 수에 따라서 단일벽 나노튜브(single wall nanotube, SWNT), 다중벽 나노튜브(muli-walled nanotube, MWNT), 다발형 나노튜브(rope nanotube)로 분류될 수 있으며, 이 흑연이 말리는 각도에 따라 다양한 구조를 갖고, 구조에 따라 전기적, 열적, 기 계적 특성이 크게 달라지기 때문에 전계방출소자, 전기화학 및 에너지저장, 초미세 미카트로닉 시스

템 , 유기 및 무기 복합소재 등 다양한 산업분야에 응용이 가능한 것으로 제시되고 있다. 또한 탄소 나노튜브를 반응주형(reacting template)으로 사 용하여 다른 재료의 나노튜브나 나노막대를 성장 하는 경우 미래 나노공학(nano-engineering)분야 에 크게 기여할 것으로 기대되어 최근에 관심이 고조되고 있다.

본 고에서는 탄소나노튜브의 합성기술, 구조 및 물성, 응용분야의 국내외 연구동향을 조사 분석하여 향후 탄소나노튜브의 연구방향을 제시하고자 한다.

탄소나노튜브의 구조

탄소나노튜브는 흑연면(graphite sheet)이 나 노 크기의 직경으로 둥글게 말린 상태이며, 흑연 면이 이루고 있는 결합수에 따라서 [그림 1]에 보 인바와 같이 단일벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나 노튜브, 다발형 탄소나노튜브로 구분한다.

탄소나노튜브의 구조는 높은 비대칭성을 갖는 2 가지 구조, 즉 zigzag와 armchair 두 개의 대칭구 조가 가능하다. 그러나 대부분의 탄소나노튜브는 이러한 대칭구조를 갖는 대신에 벌집 모양의 육각 형이 튜브 축을 따라서 나선형으로 배열된 chiral

국가나노기술집적센터(전북) 소장 [email protected]

구조를 갖는다. 개개의 나노튜브 구조를 기술하는 단순한 방법은 튜브의 직경과 chiral angle(세터) 을 이용하는 방법이다. 나노튜브를 2차원 단일층 의 흑연면으로 펼칠때 격자위의 두 점을 연결하는 벡터 C_h(chiral vector)로 표시한다. 나노튜브 실 린더는 이 벡터의 두 끝점이 만나도록 평면을 말 아올려 만든 것이다. [그림 2]는 Dresselhaus의 표기 방법에 따른 graphene 면을 보여주고 있다.

이 그림에서 정수 짝(n, m)은 나노튜브가 만들어 지는 가능한 구조를 나타낸다. 그러므로 n과 m으 로 벡터 C_h는 C_h=na₁+ma₂로 표시할 수 있다. 여 기서 a₁과 a₂는 흑연면의 단위세포 기본벡터이며, n≥m이다. Zigzag 튜브는 m=0이며, armchair 튜브는 n=m의 값을 갖는다. 위의 조건과 다른 튜브들은 chiral이다.

탄소나노튜브의 전기적 성질은 직경 과 chirality의 함수로서 금속 혹은 반도 체적 성질을 주기적으로 가지며, 이론적 연구에 의하면 SWNT의 1/3이 금속성, 나머지는 band gap이 나노튜브 직경에 반비례하는 반도체 성질을 나타낸다. 일 반적으로 n-m=3q(단, q는 정수)일 때, [그림 2]에 보인 것처럼(n, m) 나노튜브는 금속 성을 가진다. 모든 armchair 구조의 나노튜브와 zigzag 구조의 약 1/3의 정도의 나노튜브가 금속 성을 가진다.

탄소나노튜브의 합성 및 정제

탄소나노튜브는 합성조건에 따라 SWNT와 MWNT로 제조되며, 합성방법에 따라 [그림 3]

과 같이 다양한 형태로 성장된다. 합성법은 현재 여러 가지 방법이 알려져 있다. 나노튜브를 실험 실 수준에서 합성할 때는 비교적 고순도로 합성이 가능한 아크방전법과 laser ablation법이 이용되며, 디스플레이 및 나노소자 등에 응용하기 위해서는 화학기상증착법 등을 이용한다. 탄소나노튜브의 대량 생산을 목적으로 탄화수소를 열분해 하여 탄

그림 1. (A) SWNT, (B) MWNT, (C) Rope CNT.

(A) (B) (C)

그림 2. (A) armchair(5, 5) NT, (B) zigzag(9, 0) NT, (C) 2D 흑연격자면에서 단위벡터 a

, a

로 나타낸 격자점들(n, m).

(A)

(B)

(C)

소나노튜브를 합성하려는 방법이 연구되고 있다.

그러나 이들 방법으로 합성된 탄소나노튜브는 비 정질 탄소와 금속촉매와 같은 여러 가지 불순물이 섞여 있어 이를 제거하기 위한 정제법의 개발 역 시 필요하다. 본 절에서는 지금까지 개발된 탄소 나노튜브 합성법과 정제법에 대한 연구사례를 소 개하고자 한다.

① Laser ablation법

Laser ablation 방법은 SWNT만을 합성하기 위한 장치로서, 다른 방법과 비교 했을때, 상당히 높은 순도를 얻을 수 있다. 따라서 많은 나노소자 실험에 이용된 SWNT는 이 방법에 의해 만들어 진다. [그림 4(A)]는 laser를 이용한 탄소나노튜 브 성장법에 관한 개략적인 그림이다. 석영관 안 쪽에 전이 금속과 흑연가루를 일정 비율로 섞어 만든 시편을 외부에서 laser를 이용하여 시편을 기 화시켜 나노튜브를 합성한다. Buffer 기체로는 보 통 아르곤을 사용하게 되는데, 합성된 나노튜브는 기체와 함께 이동하여 냉각된 수집기에 붙게 된다.

Laser ablation에 의한 방법은 전이 금속을 두개 이상 섞어 사용하였을 때, 순도가 높아지고 생성 되는 탄소나노튜브의 직경이 달라지는 것으로 알 려져 있다. 탄소봉의 비율에서 전이금속의 양이 각각, 4.2wt%의 Ni과 1.0wt%의 Y를 사용하였을 때 가장 높은 순도의 나노튜브가 형성되었다고 보 고되었다. 그리고 보통 Nd/YAG laser와 eximer laser와 CO₂ laser를 사용하는데, 종류에 따라 나 노튜브의 생성되는 속도도 다르다. 그 중 CO₂ laser는 연속적인 파장의 모드가 가능하므로 같은 시간에 가장 많은 큐브를 만들 수 있다.

② 아크방전법(Arc discharge)

Ijima가 처 음 소 개 한 탄 소 나 노 튜 브 는 Kratschmer-Huffman 방법을 약간 변형시킨 아 크방전법으로 제조되었다[그림 4(D)]. 아크방전 은 직경이 다른 두개의 탄소봉을 전극으로 사용하 여 발생시키는데, anode쪽 탄소봉보다 cathode쪽 탄소봉 직경을 보통 크게 한다. 반응관은 이중으 로 만들어서 냉각수를 흘려 냉각시킬 수 있게 되

그림 3. 다양한 형태로 성장된 탄소나노튜브: (A) roped SWNT, (B) MWNT, (C) aligned MWNT, (D)~(F) patterned NT.

(A) (B) (C)

(D) (E) (F)

어 있다. 냉각속도가 나노튜브 생성에 중요한 역 할을 하기 때문에 고품질의 탄소나노튜브를 합성 하기 위해서는 냉각이 잘 되게 하여야 한다. 반응 관을 일정압력으로 유지시키기 위한 헬륨가스를 흘려준다. 압력은 보통 400~700torr 사이에서 나 노튜브가 가장 많이 형성되어진다고 알려져 있다.

두 전극사이에 걸어주는 전압은 직류로 20~30V 내외이다. 아크가 시작되면 두 전극간의 거리를 일정하게 유지시키는데, 이것은 아크를 안정적으 로 만들기 위해서이다. 보통 전극간의 거리는 1mm 이내로 유지시킨다. 그 전류의 값은 50~100A 정도 된다. 아크방전에 의해 만들어지 는 탄소나노튜브는 촉매(주로 전이금속)를 사용 하지 않고 탄소봉만 사용하면 MWNT가 생성되 나, 전이금속 촉매를 탄소봉에 섞어 아크방전 시 키면 SWNT가 생성된다. 아크방전에 의해 합성 된 SWNT의 직경은 대개 1.0~1.4nm의 분포를 보이나, 사용되는 전이금속의 종류에 따라 직경이 큰 나노튜브가 생성되기도 한다.

③ 화학기상증착법(Chemical vapor depositio, CVD)

화학기상증착법(CVD)은 원하는 물질을 포함 하고 있는 기체 상태의 원료가스가 반응기 안으로 주입이 되면 열이나 플라즈마 등으로부터 에너지 를 받게 되어 분해되는데, 이때 원하는 물질이 기 판위에 도달하여 막을 형성하는 기술이다. CVD 법을 이용하여 탄소나노튜브를 성장시키기 위해 서는 탄소를 포함하고 있는 탄화수소기체(C₂H₂, C₂H₄, CH₄ 등)를 원료가스로 사용하고, 기판으로 는 전이금속인 니켈, 코발트, 철 등의 박막이 사용 된다. 따라서 탄소나노튜브의 성장 이전에 스파타 링법(sputtering)이나 증발법(evaporation)을 이 용하여 전이금속 박막을 형성하는 공정이 필요하 다. 또한 필요에 따라 HF dipping이나 NH₃ exposure 같은 전처리 과정을 실시하기도 한다.

여기서 전이금속은 원료가스를 분해시키는 촉매 역할과 나노튜브의 핵 생성 좌석(nucleation site) 의 역할을 한다. 화학기상증착법은 원료기체의 분 해 방법에 따라 Hot filament 플라즈마 화학기상

SWNT 성장,

전이금속, (Ni, Co, Fe, Y)

Water, cooling

Water cooling reactor

Hydrocarbon

Hot filament Substrate Heater

Pump RF

Nd-YAG laser

graphite target cooled collector

nanotube felt argon gas

GAS OUTLET

THEORNO COUPLE

Heating Coil

M

furnace at 1200

(A) (B)

(C) (D)

그림 4. 탄소나노튜브 합성 장치 개략도: (A) laser ablation, (B) 아크방전, (C) HF-PECVD, (D) 열 CVD.

증착법(HF-PECVD), Microwave 플라즈마 화 학기상증착법(MPECVD), 열 화학기상증착법 (Thermal CVD)으로 분류되며 각 합성 장치의 개략도는 [그림 4]에 나타나 있다.

④ 열분해법(Pyrolysis of hydrocarbon)

열분해에 의한 탄소나노튜브의 합성법은 액상 또는 기상의 탄화수소를 전이금속과 함께 가열된 반응관 안으로 공급하여, 탄화수소를 분해시켜 기 상상태에서 나노튜브를 합성하는 방법이다. 열분 해법에 의한 방법은 연속적인 탄화수소의 공급이 가능하기 때문에 탄소나노튜브의 대량생산이 가 능한 방법이다. 전이 금속을 공급하는 방법으로는 전이금속을 포함하는 고체물질을 승화시키는 방 법과, 전이금속을 포함하는 액체상태의 물질을 기 화시켜서 만드는 방법이 있다. 고체 물질을 사용 하는 경우 나노튜브의 연속적인 생산이 어렵다.

또한 다른 방법과 마찬가지로, MWNT와 SWNT를 모두 만들 수 있다.

⑤ 탄소나노튜브의 정제 방법

앞 장에서 소개한 전기 방전법이나 레이져 증발 법에 따라 합성된 원래 시료에는 탄소나노튜브 외 에 부산물로 비정질 탄소, 플러렌 등의 탄소 함유 물질들과 성장을 위해 촉매로 작용되는 전이 금속 들이 포함되어 있다. 이러한 부산물들은 종종 탄 소나노튜브 만의 특성을 연구하는데 방해가 될 뿐 만 아니라 탄소나노튜브의 응용 면에서도 결정적 인 약점으로 작용한다. 이러한 전이금속과 탄소함 유 물질들을 제거하기 위해 다양한 정제 방법들이 보고 되어 있다. 정제 방법을 크게 분류하면 액상 산화법(liquide-phase oxidation), 기상 산화법 (gas-phase oxidation), 거르기(filtration), 크로마 토그래피(chronatography)법 등이 있다.

탄소나노튜브의 물성

위에서 언급한 바와 같이 탄소나노튜브는 직경, 길이, chirality에 따라 다양한 물리적 성질을 가지 고 있다. 구조에 따른 물리적 특성 평가는 최근에 활발히 진행되고 있으나, 아직까지 해결해야 될 내용이 많이 남아있는 실정이다. 이 절에서는 현 재까지 알려진 탄소나노튜브의 기계적, 열적, 전기 적 성질들을 간략히 서술하였다.

① 기계적 성질

탄소나노튜브의 기계적 특성은 특히 보강 재료 로 이용할 때 매우 중요하다. 전반적으로 SWNT 는 강철보다 10~100배 견고(stiff)하고 물리적인 충격에 강하다고 보고하고 있다. 더욱이 나노튜브 는 강하면서도 튜브 끝에 힘을 가하면 손상 없이 구부러지다, 힘을 제거하면 원래상태로 돌아가는 연성이 크다. 이런 현상은 이론 및 실험적으로 측 정하려는 노력이 다양히 시도되었으나 정량화하 는 것은 아주 어려운 문제로 알려져 있다. 미국 Princeton 대학교와 Illinois 대학교의 연구팀은 튜 브를 자유롭게 세운 후, tip의 미세사진을 촬영하 여 다양한 온도에서 blur의 양으로부터 modulus 를 계산하여, 평균 Young’s modulus가 1.8TPa임 을 측정하였다. 이 값은 다른 연구자들에 의해 다 소의 차이는 있으나 맞는 것으로 확인된 바 있다.

일반적으로 탄소분자가 완전히 고체상의 실린더 형태를 가진다면 modulus는 앞서 논의된 값보다 작은 값을 보일 것이며, 튜브형태이면서 wall 두께 가 작을수록 modulus는 증가할 것으로 예상된다.

② 열적 성질

탄소나노튜브의 열전도도는 온도와 phonon의 평균자유경로에 의존한다. Hone 등은 1999년 탄 소나노튜브의 열전도도가 온도에 일차적인 관계

식을 가짐을 발표하였으며, 7~25K의 온도범위에 서는 직선관계, 25~40K의 범위에서는 직선의 기 울기가 증가하고, 상온이상에서는 온도가 증가함 에 따라 단조증가함을 보고하였다. 이들은 상온에 서 SWNT의 열전도도가 1,800~6,000W/mK의 범위에 달한다고 제시하였다. 이러한 열전도도의 선형적인 증가는 이론적으로 많은 과학자에 의해 확인되었으나, Barber 등은 열전도도의 온도에 대 한 상관관계가 선형적이기보다는 다른 특성을 갖 는다고 주장하였다. 이러한 열적특성은 탄소나노 튜브의 다양한 응용에서 매우 중요하다.

③ 전기적 성질

탄소나노튜브의 특성중 가장 큰 장점은 전도성 을 갖고 있다는 것이다. Frank는 1998년 SPM (scanning probing microscopy)을 이용하여 수은 액체상에서 전도성을 측정하여 탄소나노튜브는 양자거동을 보이면서 획기적인 전도성(ballistic conductance)을 가진다고 보고하였다. Sanvito 등은 1년 뒤 scattering 기법을 이용하여 MWNT 의 전도성을 측정하였으며 Frank의 결과를 재확 인하였며, MWNT내의 양자전도성 채널이 interwall 반응에 의해 감소됨을 관찰하였고, 이 반응에 의해 각 탄소나노튜브의 전자흐름이 재배 치됨을 관찰하였다. Thess 등은 rope형태의 금속 성 SWNT의 저항을 four-point기법을 이용하여, 300K에서 약 10^-4Ω-cm임을 관찰하였으며, 이 값 은 현재 알려진 고전도성 탄소나노섬유보다 더 높 은 값을 가진 것으로 나타났다.

탄소나노튜브의 응용

① 탄소나노튜브 복합체

탄소나노튜브가 가장 먼저 상업화될 수 있는 분 야는 고분자 복합체에서 전도체로 이용하는 것이

다. 고분자에 5% 정도의 MWNT를 섞으면, 고분 자 matrix의 종류에 따라 전도도가 0.01~

0.1S/cm로 얻어진다. MWNT의 낮은 첨가와 나 노섬유 형상은 고분자의 다른 성능(기계적 특성 과 고분자를 박막형벽 형성에 응용할 때 필요한 낮은 melt flow viscosity)이 저하됨 없이도 전기 전도도를 얻을 수 있다. 상업용 자동차 가스라인 과 필터에 나노튜브 필터를 이용하면, 연료의 폭 발을 막을 수 있을 뿐만 아니라 카본블랙이 첨가 된 플라스틱에서 보다 연료의 확산이 훨씬 잘된다.

나노튜브 복합체를 플라스틱 반도체 칩에 이용하 면 카본블랙의 오염을 피할 수 있으며, 전도성 프 라스틱 자동차 부품에도 유용하게 이용될 수 있다.

페인트를 칠할 때 표면을 평탄하게 하는 것이 매 우 중요한데, 이런 면에서 탄소나노튜브는 다른 충전제 보다 훨씬 장점을 갖고 있다. Hyperion 사 는 이 목적으로 현재 수 톤의 탄소나노튜브가 이 용되고 있으며, SWNT보다는 MWNTs가 주로 이용되고 있다. 휴대폰과 컴퓨터에 방출되는 전자 기파의 차단에도 탄소나노튜브 복합체는 매우 유 용하게 이용될 수 있으며, 이 분야에 대한 중요한 특허는 Eikos 사가 주로 갖고 있다. 플라스틱에 탄 소나노튜브를 섞으면 modulus와 강도를 크게 증 가된 구조재료가 된다. 문제는 나노튜브를 플라스 틱에 어떻게 균일하게 분산시켜 나노튜브와 고분 자 matrix의 결합을 향상시키느냐이다.

② 탄소나노튜브 에너지저장

탄소나노튜브는 가벼우면서도 높은 전기전도도 와 화학적 안정성 및 큰 비표면적 등의 전기화학 적 에너지 저장장치의 전극 활물질로 매우 우수한 물성을 지니고 있기 때문에 최근에 탄소나노튜브 를 초고용량 캐패시터, 연료전지 및 리튬 이온전 지의 전극 활물질로 사용하려는 연구들과 수소기

체 저장체로 이용하려는 연구들이 현재 활발히 진 행되고 있다.

최근 들어 수소경제가 중요시 되면서 수소가 연 료전지와 연계하여 중요시되고 있다. 특히 이동식 연료전지의 원료로 사용되는 수소의 저장기술은 다른 응용분야와 함께 그 중요성 때문에 활발히 연구되고 있다. 현재 사용되고 있는 내연기관 자 동차가 기름을 한번 주입하여 500km 주행(승용 차 기준)한다고 할 때 연료전지자동차에 사용될 수소의 양은 약 5kg 정도 필요하다. 이 수치는 부 피밀도로 63kg/m³에 해당하며, 수소저장체를 사 용하여 상온에서 저장할 경우 중량밀도로는 6.5wt%에 해당한다. 다시 말해서 6.5wt% 이상의 수소를 저장할 수 있는 물질이 개발되어야 연료전 지 자동차 사용이 가능해진다. 탄소나노튜브는 수 소 분자를 잡을 수 있는 길다란 나노 채널과 높은 비표면적으로 인해 좋은 수소 저장체로 기대되고 있다. SWNT는 직경이 0.7~3nm 정도에 길이가 수십µm 정도로 긴 파이프와 같은 구조이다. 이 론적으로 제안된 탄소나노튜브의 수소저장량은 실험적으로 많이 관측되는 탄소나노튜브의 경우 14% 이상이다. 실측정으로 나온 결과는 이보다는 낮지만 다양한 저장량을 발표하고 있다. 그러나 어떤 연구결과는 수소의 저장량이 매우 낮다는 보 고도 있어 탄소나노튜브의 수소저장은 아직은 더 많은 연구가 필요한 실정이다.

탄소나노튜브는 일반 유전체를 이용한 커패시 터(capacitor)에 비교하여 용량이 매우 높은 초고 용량 커패시터(supercapacitor)와 로봇(robot)에 서 실재 사용되는 전동식 엑튜에이터(electro- mechanical actuator, EMA)의 전극재료로 이용 할 수 있다. 일반 커패시터와 마찬가지로 탄소나 노튜브 초고용량 커패시터와 EMA에서도 전기화 학시스템에서 이온전도는 허락하지만 전기적으로

절연물질인 전연막으로 분리된 2개의 전극으로 이루어져 있다. 전기화학시스템의 경우는 커패시 터 용량이 전극상의 전하와 전해질 내의 반대전하 사이의 분리거리에 정비례한다. 이때 분리간격은 전극이 나노튜브로 구성된 경우 나노미터 정도의 크기를 갖고, 또한 전해질에 접해 있는 나노튜브 의 표면적이 매우 커서 높은 용량이 얻어진다(전 형적으로 나노튜브 배열 표면적에 따라 약 15~

200F/g 정도). 더욱이 이 용량은 단지 수 볼트 (volt)만 가해도 얻어지는데, 그 이유는 다량의 전 하가 주입되기 때문이다. 이 전하주입은 나노튜브 초고용량 커패시터에 에너지를 저장하는데 사용 되는 반면, EMA에서는 전극이 수축과 팽창을 하 는데 사용되어 기계적 일을 하게 한다.

탄소나노튜브를 리튬이온 2차전지의 전극 활물 질로 이용하는 연구에서도 초고용량 캐퍼시티처 럼 SWNT가 MWNT에 비해 비교적 높은 비축 전용량을 나타냄을 알 수 있다. SWNT의 경우는 1000mAh/g 정도의 용량을, MWNT의 경우는 400mAh/g 정도의 용량을 가지는 것으로 보고하 고 있다. 현재 리튬이온 2차 전지의 전극 활물질로 이용되고 있는 흑연의 최대 이론용량 372mAh/g 으로 탄소나노튜브는 훨씬 높은 용량을 나타낸 것 으로 예측된다. 그러나 탄소나노튜브를 리튬이온 2차전지의 전극 활물질로 이용하는 경우 충·방전 시에 비가역 용량이 너무 크다는 것이다. 이 비가 역용량을 최소화시킬 수 있으면 현재 탄소나노튜 브가 가지는 용량을 2배로 증가시킬 수 있다.

탄소나노튜브는 메탄올직접연료전지(DMFC) 의 개질기의 촉매의 담체로 이용된다. 연료전지의 원료인 수소를 메탄올을 분해시켜 수소를 얻는 방 법이 최근 실용적으로 접근되고 있다. 여기서 메탄 올을 분해시키기 위한 최적의 촉매가 백금이다. 백 금은 촉매효율을 좋지만 고가여서 연료전지 구성

비용의 반 정도를 차지하고 있다. 백금의 사용을 최소화하고 최대 효율을 얻기 위해 백금 나노입자 를 만들고 고르게 분산시키는 것이다. 여기서 탄소 나노튜브는 나노입자 백금 촉매의 엉킴을 방지하 는 고정용 구조물 역할을 한다. 탄소나노튜브가 만 드는 비정형의 그물구조와 탄소나노튜브 사이 넓 은 공간들은 메탄올의 빠른 흐름을 유도하고, 백금 의 최대 촉매 효율을 만들어낸다. 최근 연구 결과 는 지금까지 사용된 어떤 물질보다 높은 백금의 촉 매 효율 향상을 보여주고 있다.

③ 탄소나노튜브 전자방출소자

탄소나노튜브는 길이가 수 µm이면서 직경이 수 nm밖에 되지 않아서 전기장이 인가되었을 때 tube 끝에서 전기장이 아주 강하게 증폭된다. 탄 소나노튜브의 field enhancement factor는 튜브의 구조에 따라 다소 차이는 있지만 약 2,500~10,000 정도이다. 높은 enhancement factor 때문에 탄소 나노튜브에서는 전계방출이 수 volt/µm에서 가능 하다. 그리도 탄소나노튜브는 매우 단단하며, 전기 전도성 또한 우수하다. 한 개의 SWCNT가 흘려 보낼 수 있는 최대 전계방출 전류는 약 2×10^-6A 이다. 이러한 탄소나노튜브를 field emitter에 응용 하려는 연구는 De Heer와 그 동료들에 의하여 처 음으로 시도되었으며, 그 후 탄소나노튜브를 이용 한 flashlinght, field emission display(FED), X- ray tube와 electron amplifier 제작이 시도되었다.

아직 탄소나노튜브의 전계방출 특성에 대한 정 확한 이해가 이루어지지 않았지만, 탄소나노튜브 를 이용한 전계방출 소자는 일부분에서는 앞으로 몇 년 안의 실용화 단계까지 근접해 와 있다.

Field emission display(FED)는 Wang과 그의 동료들에 의하여 그 가능성이 제시된 이후 삼성전 자에 의하여 주도적으로 연구가 이루어지고 있다.

[그림 5]는 SWNT를 organic binder와 혼합한 후 screen printing 방법을 이용하여 제작한 단색 15인치 FED이다.

④ 탄소나노튜브 전자소자

1) 탄소나노튜브 메모리 소자

그 동안 학계에서는 반도체의 집적도를 높이기 위한 물질로 탄소나노튜브를 차세대 반도체 물질 로 주목을 해왔다. 탄소나노튜브는 탄소만으로 이 루어진 평방나노미터(10억분의 1m²)굵기의 대롱 모양을 한 물질로 가벼우면서도 결합력이 매우 높 다. 또 탄소나노튜브는 직경과 말린 각도에 따라 도체가 되기도 하고 반도체가 되기도 해서 전형적 인 반도체의 성질을 갖고 있다. 따라서 이를 이용 해 반도체를 생산하게 되면 기존에 실리콘으로 반 도체를 만들 때와는 비교가 안 될 정도의 고집적, 고성능의 반도체를 만들 수 있게 된다. 다시 말해 최근 최첨단 반도체라며 각광을 받았던 256M DRAM보다 1만 배 정도 집적도가 더 높은 반도체 를 만들 수 있다.

[그림 6(A)]에 나타낸 것과 같은 십자형 탄소 나노튜브 접합에 관한 연구가 미국 Paul L.

McEuen 연구팀과 서울대 임지순 교수 연구팀에 의해 수행되었다. 반도체 집적도를 최고 1만 배까

Visible light

phosphor

aluminium control

grid nanotube

(A) (B)

그림 5. (A)탄소나노튜브 FED, (B)screen 화면.

지 높일 수 있는 탄소나노튜브 트랜지스터 제작의 가능성에 관한 내용이다. 그러나 이 연구개발의 성과는 탄소나노튜브로 반도체를 만들 수 있는 가 능성을 보여주었을 뿐이다. 탄소나노튜브가 현재 사용하고 있는 실리콘보다 훨씬 우수한 것이 사실 이지만 아직은 대량생산이나 정열 그리고 패턴화 를 하는 등의 기술상의 문제가 많아서 상용화가 이루어지려면 몇 년의 시간이 더 필요할 것으로 예상된다.

2) 반도체 탄소나노튜브

탄소나노튜브를 트랜지스터나 메모리 소자에 응용하기 위해서는 반도체 나노튜브가 필요하다.

그러나 탄소나노튜브를 성장할 때 반도체 탄소나 노튜브만을 선택적으로 성장하기는 어렵다. 게다 가 이미 성장된 탄소나노튜브들로부터 반도체 탄 소나노튜브만을 정제해내기도 아주 어려운 일이 다. 성장과정에서 튜브의 전기적 특성을 제어하기 는 아주 어렵기 때문에 성장 후에 탄소나노튜브를 개질시킴으로써 반도체 성질을 갖는 탄소나노튜브 를 만드는 연구가 활발히 진행되고 있는 실정이다.

최근 IBM의 Phaedon Avouris 연구팀에 의해 금속성 탄소나노튜브를 반도체성 탄소나노튜브로 만드는 기술이 2001년Science 저널에 보고된 바 있다. 이 기술은 전기적 breakdown을 이용하여 금속성 다중벽 탄소나노튜브의 껍질들을 하나하나

씩 벗겨서 반도체 성질을 가지는 탄소나노튜브로 변환시키거나 다발로 된 단일벽 탄소나노튜브에 서 금속성 탄소나노튜브만을 태움으로서 반도체 성질을 가지는 탄소나노튜브를 얻는 기술이다. 그 러나 이 기술은 실용화하기는 아직 매우 난해한 기술이다.

한편, 보다 쉬운 방법으로 금속성 탄소나노튜브 를 반도체 탄소나노튜브로 바꾸는 기술이 국내 공 동 연구진에 의해 개발되었다. 이들은 단일벽 탄 소나노튜브벽을 수소원자로 기능화시켜서 sp²결 합을 sp³결합으로 전자 구조를 변화시켜, 밴드갭 을 오픈시킴으로써 금속성 탄소나노튜브를 반도 체 탄소나노튜브로 바꿀 수 있음을 이론적인 계산 과 실험적인 결과로 보여주었다.

⑤ 기타 응용

탄소나노튜브는 그 재료가 갖고 있는 우수한 특 성 때문에 이 밖에도 다양한 산업분야에 응용할 수 있다. 그 예가 주사 탐침 현미경(scanning probe microscopy, SPM), 초미세 나노 저울, 나노 핀셋 (nano tweezer), 나노 화학센서(nano chemical sensor), 나노크기의 선형베어링과 스프링(nanoscale linear bearing and spring) 등의 재료로 유용하게 이용할 수 있다.

맺는말

탄소나노튜브는 직경, 길이, chirality에 따라 다 양한 물성을 가져 산업적 응용분야가 다양한 나노 재료이다. 그러나 아직은 재료의 가격이 높고, 고순 도 정재가 어려워 이들 응용에 제한을 받고 있다.

더욱이 응용에서도 아직은 기초 연구에 머물고 있 어 실용화를 위해서는 과학자들이 해결해주어야 할 과제가 많이 있다. 이를 위해 본 고에서는 탄소나노 튜브의 국내외 연구현황을 광범위하게 고찰하였다.

250nm PMMA

back gate SiO2

Vin

Vout

-V

+V

(A) (B)

그림 6. (A)십자형 SWNT 접합소자의 AFM 이미지, (B)

2개의 SWNT FET로 구성된 논리회로 AFM 이미지.