• 커뮤니티
  • 학생회소개
  • 학생회게시판
  • 동문회
  • 재미있는화공
  • 포토갤러리

21세기 혁신적인 소재기술-나노튜브

2011.10.13 13:39

관리자 조회 수:3676

 img03.png

 

 

인류의 역사는 석기시대, 청동기 시대, 철기시대, 반도체 시대로 크게 구분할 정도로 인류에 유용한 새로운 물질의 발견은 인류 역사에 큰 의미를 차지한다. 석기시대에는 석기로 인류가 사용하는 도구를 만들었고, 철기시대에는 인류가 사용하는 모든 도구를 철을 이용해 만들었다. 그리고 새로운 재료를 도입하고 발전시킨 민족이나 국가가 부강한 나라가 되었다.

이제 인류는 탄소나노튜브라는 새로운 재료를 이용하게 됨으로써 앞으로 살 세상은 또 다른 혁신이 이루어지는 시대가 될 것이다. 50년대의 반도체 혁명에 비견할 만한 탄소나노튜브 혁명이 막을 올리고 있는 것이다.

1985년 미국의 화학자 리처드 스몰리는 헬륨가스안에서 흑연을 레이저 광선으로 분쇄하는 중 공 모양으로 뭉쳐져있는 탄소원자 "풀러렌"(fullerene)"을 발견했다. 60개의 탄소분자로 이루어진 이 풀러렌은 독립적이고 완전한 구조의 물체로 흑연, 다이아몬드에 이어 탄소원자만으로 이루어진 안정된 물질이며, 공모양을 하고 있어 쉽게 버키볼이라고도 한다. 풀러렌은 동소체인 다이아몬드를 웃도는 경도를 가지고 있어 고온, 고압에 견딜 수 있는 성질이 커서 나노머신의 윤활제로 쓰일 수 있다.

풀러렌은 또한 특이한 전기적 반응을 일으키는데 다른 물질과 어떻게 섞여있는가에 따라 도체, 반도체, 초전도체의 기능을 한다. 풀러렌은 인체내에서 분해가 될 수 있는데, 텅비어 있는 풀러렌 내부에 약 성분을 넣어놓는 식으로 약을 만들면 인체내의 특정기관으로 약을 전달하는 것도 가능할 것이다. 스몰리는 풀러렌을 발견한 공로로 1996년 노벨 화학상을 받았다.

일본 NEC의 수미오 이지마 박사는 전자현미경으로 검은 얼룩을 관찰하다가 탄소원자 박판으로 구성된 직경이 몇 나노미터되는 매우 미세한 대롱형태의 튜브를 발견했는데, 이것이 기적의 물질 탄소나노튜브이다.
탄소나노튜브에서는 하나의 탄소원자가 3개의 다른 탄소원자와 결합되어 있고 육각형 벌집 무늬를 이루고 있다. 육각형의 모양을 가진 그물을 원통형으로 둥글게 말면 나노튜브 구조가 되는데, 그물을 어느 각도로 마느냐, 튜브의 직경이 어느 정도 되느냐에 따라 전기적 도체가 되기도 하고, 반도체가 되기도 한다.

탄소나노튜브는 매우 이상적인 성질을 갖는 물질임이 밝혀졌는데 굵기는 머리카락의 5만분의 1정도지만, 구리보다 전류를 더 잘 전도하며, 다이아몬드보다 열을 더 잘 전달한다. 탄소나노튜브는 화학적으로 불활성이며, 독성이 없는 특성을 갖는다. 만일 나노튜브를 섬유에 활용할 경우 강철 무게의 6분의 1, 그리고 강도는 강철보다 100배나 되는 ‘울트라 섬유’를 만들 수도 있다.

기존 반도체의 한계를 넘어선다

반도체 소자의 재료로 실리콘을 쓰고 있는데 회로 선폭을 줄이는 것이 갈수록 어려워져 반도체 물질 위에 회로를 새겨 넣는 식의 기술로는 16기가 바이트 이상의 메모리 칩은 불가능하다. 그러나, 굵기가 머리카락의 5만분의 1인 탄소나노튜브를 이용하면 회로 선폭을 100분의 1이상 획기적으로 줄일 수 있어 기억용량이 현재보다 만배 이상이 되는 칩을 만들 수 있다.

쓸만한 메모리 소자를 만들려면 정보를 저장하는 방 수십억개를 한데 모아놓는 기술이 필요한데, 최근 삼성종합기술원 최원봉 박사팀은 가로 세로 1㎜ 안에 탄소나노튜브 약 4천만개가 고르게 늘어서게 하는데 성공한 바 있다.

삼성종합기술원 최원봉 박사팀이 만든 탄소나노튜브 배열. 빨대같은 것 하나가 나노튜브다.
이렇게 정렬한 나노튜브 하나하나를 정보저장 장소로 만들어 서로 연결하면 지금보다 수백배 용량이 큰 메모리를 만드는 것도 가능하다. 이 경우10만개 이상의 다양한 DVD 수준의 양질의 영화를 손목시계 하나에 저장할 수 있게 될 것이다.

다이아몬드에서 보듯이 탄소나노퓨브 내의 탄소원자 간의 결합은 실리콘 보다 훨씬 강하고, 화학적으로 극히 안정되어 사용할 수 있는 환경조건의 폭이 실리콘보다 훨씬 크다. 그리고 열전도도가 실리콘 보다 좋아 열을 잘 방출하므로 반도체 소자가 작동할 때 발생하는 열을 방출시키기 위한 고민을 하지 않아도 된다.

정확한 촉매제 및 반응 조건만 제공하면 나노튜브는 스스로 만들어지며, 엄청난 정보량을 차지하는 각 원자의 위치를 지정할 필요가 없다. 미래의 컴퓨터 칩을 제조하는 데 필요한 수백만개 또는 수억개의 동일하고 세밀하게 장착된 나노튜브를 제조할 수 있는 역량이 조만간 해결될 것이다. 반도체소자에 응용할 경우 나노크기 채널로 전자이동을 제어해 저전력으로 소자구동이 가능하다.

실리콘등의 순수한 반도체는 전기를 거의 통하지 못한다. 반도체가 트랜지스터 등에 이용되기 위해서는 반드시 붕소, 인 같은 소량의 불순물을 첨가하는 도핑이란 과정을 거쳐야 한다. 도핑을 한 반도체에는 미량의 전류가 흐를 수 있으며 이것을 외부 전압을 통해 조정함으로써 반도체 소자로 이용할 수 있다.

그러나 탄소나노 튜브 반도체는 이미 도핑이 된 효과를 지니고 있어 응용을 위해 따로 도핑할 필요가 없다. 기존의 실리콘 소자와는 달리 도핑을 하지 않아도 되는 등 소자 작동에 매우 유리하다

나노튜브 시대의 시작을 알리는 탄소나노튜브 TV

이르면 올해 안에 삼성 SDI에서 탄소나노튜브 TV 시제품이 나올 예정이다.
브라운관 TV는 전자총에서 나온 전자들이 브라운관 안쪽의 형광물질에 부딪쳐 빛을 내게 한다. 탄소나노튜브 TV에서는 나노튜브가 전자총 역할을 하는데, 나노튜브에 전압을 가하면 전자를 나오면서 형광물질을 때려 빛을 내게 된다. 브라운관 TV에서는 전자총이 하나지만, 탄소나노튜브TV에는 헤아릴 수 없을 만큼 많은 전자총이 있어 화면의 점 하나에 수십~수백개의 나노튜브에서 튀어나온 전자가 충돌한다. 나노튜브 하나가 전자를 발생시키는데 필요한 전압이 워낙 작기 때문에 전기는 브라운관 TV보다 훨씬 적게 든다.
이러한 원리로 매우 얇게 만들 수 있어 현재의 벽걸이 TV보다도 더 얇아지게 될 것이다.

탄소나노튜브의 다양한 응용

나노 크기의 물질을 다루려면 나노크기의 도구가 필요하다. 가능성을 보여주는 연구는 미국 컬럼비아대 김필립 교수는 굵기 50나노m 정도의 나노튜브 다발 두개를 만든 뒤 전기를 가해 다발 두개가 젓가락처럼 움직이게 했다. 이를 이용해 무게가 1조분의 1g에 불과한 작은 플라스틱 공을 집어내는데 성공했다.

일본에서는 나노튜브가 내쏜 전자를 형광물질에 충돌시켜 나오는 빛을 이용해 조명기구를 만드는데 성공했다.

원통형 구조를 가지고 있는 탄소나노튜브는 안쪽면과 바깥 면에 많은 수소 원자를 붙잡아 두는 수소 저장탱크로 사용될 수 있다. 그래서 수소를 필요로 하는 연료전지 등에도 응용될 수 있을 것으로 보고 관련 연구가 이뤄지고 있다.

미세한 전기선

탄소나노튜브는 구리 도선보다 훨씬 전기 저항이 적고 가볍다. 따라서 아주 길게 만들 수 있다면 지금의 구리 전선은 모두 나노튜브로 바뀌게 될 것이다. 그리고, 나노튜브를 굵은 것 안에 가는 것이 들어 있고 그 안에 더욱 가는 것이 든 식으로 만들거나, 밧줄과 같이 여러가락을 꼬는 형태로 만들면 전기가 실시간으로 흐르게 될 것이다. 이 때문에 충분한 길이로 만들 수 있으면 지상의 발전소와 인공위성을 연결해 직접 전기를 공급할 수도 있다.

탄소는 화학적으로 그 성질이 이미 많이 연구되어 있으므로 폴리머(합성수지, 즉 고분자 화합물)를 만드는 기술을 응용하여 실리콘에서는 어려웠던 생물체와의 직접적인 정보 교환이 용이해질 것으로 기대된다.

이와 같이 탄소나노튜브는 매우 다양한 분야에서 활용될 것이다.

탄소 나노튜브의 합성에 있어서 가장 중요한 것은 촉매이다. 화학공학에서 가장 큰 비중을 차지하는 분야가 바로 촉매분야 이다. 그리고, 합성된 탄소 나노튜브는 탄소 분말과 섞여 있어서 정제가 필수적인데, 물질의 정제라면 역시 화학공학자가 가장 적임자라고 할 수 있다. 탄소 나노튜브가 실제로 사용되기 위해서는 대량생산이 가능해져야 하며, 이러한 대량생산 기술은 화학공학의 본분이라고 볼 수 있다.

탄소 나노튜브가 인류생활에 이바지하는 시기를 앞당기기 위해서 많은 과학자들과 공학자들이 많은 노력을 기울이게 될 것이며, 그 중심에 화학공학자가 있게 될 것이다.

(※ 출처 : http://www.withche.com/)
동의대학교 화학공학과는 본 내용을 교재로 사용하고 있습니다