현재 많은 관심을 받고 있는 나노튜브의 중요한 응용 중 하나가 미니 가스센서 개발 분야이다. 가 스센서는 원리적으로 다양한 메커니즘에 의해 작 동된다. 대표적인 방법 중 하나로서 가스이온화를 이용한 센서는 통상적으로 부피가 크고 고전압의 전력소모가 많은 장치이다. 탄소나노튜브를 사용 하는 경우 낮은 전압에서도 나노팁에서 매우 높은 전기장이 형성되어 breakdown voltage(파괴전 압)를 낮출 수 있다. 따라서 이러한 특성을 이용하 여 저전력, 소형 가스센서의 개발이 가능하다. 이 러한 미니센서는 환경모니터링, 화학공정진단, 기 타 가스검출 등 응용성이 크다.
[그림 1]은 센서의 기본적 구조를 나타낸다. 탄 소나노튜브는 화학증착(CVD)을 이용하여 성장 하였으며 25~30nm 직경, ~30µm 길이를 갖는 다. [그림 1(B)]의 장치에서 전극사이를 기체로
채우고 가해준 전압에 따른 방출 전류를 측정한다.
기체의 종류에 따라서 [그림 2]에 나타난 바와 같 이 다른 I-V(전류-전압)특성을 가지며 특별히 방 출전류가 측정되는 파괴전압이 기체에 따라서 특 정값을 나타낸다. 각각의 나노팁(15nm 반경)은 고전기장을 형성하며 팁을 둘러싼 이온화된 기체 를 통한 필라멘트 ‘코로나’를 형성한다. 이 코로나 는 상대적으로 낮은 전압에서 강력한 전자방출
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 21, No. 5, 2003…
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그림 1. 나노튜브 가스센서 (A) 나노튜브양극-유리절연체-알루미늄 음극구조, (B) 테스트장치, (C) 탄소나노 튜브 SEM.
(A)
(B)
(C)
그림 2. Current-voltage(I-V) curves for electrical breakdown(파괴전압). (A) 탄소나노튜브가 있는 경우 파괴전압 346V 방출전류 460µA, 탄소나노튜브가 없 는 경우 파괴전압 960V 방출전류 69µA, (B) 흡착된 기체에 따른 파괴전압의 변화.
(electron avalanche)을 유도하여 전극간 전류방 출이 이루어진다. 이러한 기술은 여러가지 면에서 유용성이 크다. ① 기체에 따라서 전류방출이 일 어나는 파괴전압이 일정하여 가스성분분석이 용 이하다. ② 방출전류 측정을 통해서 가스 농도를 결정할 수 있다. ③ 이 기술은 기체의 흡/탈착 과 정이 포함되지 않으므로 응답이 빠르다. ④ 가스 의 선택성이 뛰어나며 또한 온도, 습도, 가스 흐름 량의 영향을 받지 않는다[Nature, vol. 424, p. 171 (2003)].
새로운 촉매를 발견하거나 기존의 촉매를 개선 시키는 방법은 화학 산업과 제약 산업에 경쟁력을 도모하는 기초가 된다. 하지만 이 방법은 수많은 시행착오를 거쳐야 하는, 극히 실험적인 방법이다.
예를 들어, 화학제품 산업에서 polyethylene과 같 은 중합체 생산을 위해 새로운 촉매를 발견하고, 반응을 진행시키는데 10년이 걸릴 수도 있다. 그 러나 high-throughput실험, 혹은 결합 화학은 연 구원이 종래의 실험방법을 통해 실험을 디자인하 고 수행, 평가할 수 있는 속도가 매년 단축되고 있 다. 이 high-throughput방법을 통해 수백 또는 수 천 가지의 실험들이 신속하게 그리고 동시에 수행 되고 있다. High-throughput실험을 수행하기 위 해서는 종종 실험포맷을 소형화하는데, 이때는 로 봇공학을 이용하기도 하며, 다수의 실험으로 생성 되는 극히 소량의 생성물을 신속하게 분석하는 일 또한 해결되어야 할 중요한 과제이다.
Polyolefin은 ethylene과 같은 간단한 olefin과 propylene, 1-octene과 같은α-olefin의 중합체이 다. 그 규모가 세계에서 가장 큰 고분자 산업인 polyolefin 산업에서는 지난 수십 년간 구조의 제
어를 통한 polyolefin의 특성을 개선시키기 위하여 많은 연구투자가 이루어져 왔으며, 특히 효율적인 유기금속촉매의 발견이 가장 중요한 목표로 인식 되어왔다. 유기금속촉매는 유기분자(리간드)에 의해 안정된 전이금속 중심을 갖고 있지만, 그 효 능은 실험 조건뿐만 아니라 금속과 리간드의 성질 에 의해서도 예측될 수 없을 정도로 크게 영향 받는 다. 최근 Symyx Technologies와 Dow Chemical의 연구진들은 원하는 특성을 갖는 polyolefin을 생산 하는데 필요한 촉매를 발견하기 위한 새롭고 효과 적인 high-throughput방법을 제안하였다. 이들은 고온에서 1-octene과 ethylene의 공중합체를 생 성시킬 수 있는 hafnium(Hf)계열의 새로운 촉매 를 발견하여 high-throughput접근법의 뛰어난 효 율성을 증명하는데 성공하였다.
Dow Chemical은 현재 용해법을 사용하여 전세 계에서 사용되고 있는 Hf촉매의 반 이상인 50만 톤을 매년 생산하고 있다. 생산 비용을 보다 절감 시키기 위해서는 고온에서도 높은 활성을 나타내 는 촉매가 필요한데, Hf계열촉매를 다른 촉매의 효능과 비교하려면, 각 촉매를 ethylene과 α- olefin이 같은 비율로 존재하는 공중합체가 생성되 는 조건에서 테스트해야 한다. 그러나 이 과정은 olefin을 고분자 사슬에 끼워 넣는 촉매의 특성 때 문에 많은 실험을 필요로 한다. 이러한 문제를 해 결하기 위해 Symyx Technologies는 기존의 방법 과 차별화되는 screening접근법을 개발했다. 1차 screening으로 1-octene과 같은α-olefin을 불균 일중합시킬 수 있는 것으로 평가된 다수의 촉매들 이 선별됐다. α-olefin을 불균일중합시킬 수 있는 촉매를 선택한 것은α-olefin이 ethylene보다 더 중합되기 어렵기 때문이다. 또한 1차 screening으 로 ethylene과α-olefin 단량체를 공중합시킬 수 있는 촉매가 확인됐고, 중합체의 분자량이 증가될 수 있는지를 평가하는 방법이 제안됐다. 한편, 1차
564…NICE, 제21권 제5호, 2003
신·기·술·소·개
