탄소나노튜브

탄소나노튜브는 흑연 1장(Graphene sheet)이 말려서 만들어진 긴 대롱 모양의 구조이다. 6각형 고리로 연결된 탄소들이 관 모양을 이루며, 직경이 수 나노미터(1 nm = 10⁻⁹ m)에 불과하다. 나노미터는 10억 분의 1m로 보통 머리카락의 10만 분의 1 굵기이다. 탄소나노튜브는 풀러렌 계열의 구조로, 그래핀이라는 탄소 원자 한 층으로 이루어진 막을 벽으로 하여 길고 속이 빈 튜브 모양이다. 그래핀을 둥그렇게 마는 각도에 따라 다른 나노튜브가 만들어질 수 있으며, 말리는 각도와 지름에 의해 금속이 될 수도 있고 반도체가 될 수도 있다.

탄소나노튜브는 1991년 일본 NEC 연구소의 이이지마 스미오(Sumio Iijima) 박사가 전기방전법을 사용하여 흑연의 음극상에 형성시킨 탄소응집체를 분석하는 과정에서 전자 현미경을 통해 처음 확인하였다. 1985년 Kroto와 Smalley가 탄소 풀러렌을 발견한 이후의 연구 성과이다.

탄소나노튜브는 단일벽 나노튜브(SWCNT)와 다중벽 나노튜브(MWCNT)로 나눌 수 있다. 단일벽 나노튜브는 한 겹의 그래핀 시트가 말린 형태이고, 다중벽 나노튜브는 여러 겹의 그래핀 시트가 동심원을 이루며 겹쳐진 구조이다. 나노튜브의 화학 결합은 흑연과 같은 sp² 결합만으로 구성된다. sp² 결합은 알케인이나 다이아몬드에서 볼 수 있는 sp³ 결합보다 강하며, 나노튜브의 강도가 매우 높은 것도 이 때문이다. 나노튜브는 반데르발스 힘에 의해 여러 가닥이 뭉쳐진 '로프' 형태로 정렬되는 경우가 많다.

탄소나노튜브는 주로 화학 기상 증착(CVD)법을 사용하여 합성한다. 이 과정은 석영관 반응기 내부에 실리콘 웨이퍼를 위치시키고, 철, 니켈, 코발트 등의 촉매를 도포한 후 메탄, 에탄, 아세틸렌과 같은 탄화수소 가스를 750~900°C로 가열하여 나노튜브를 성장시킨다. 전기방전법이나 레이저 증발법 등 다른 방법도 사용된다.

탄소나노튜브는 뛰어난 기계적 강도를 가진다. 철강보다 100배 강하며, 탄소섬유는 1%만 변형시켜도 끊어지는 반면 탄소나노튜브는 15% 이상 변형되어도 견딜 수 있다. 전기적 특성으로는 구리보다 1000배 전기를 잘 통하게 하며, 10⁹ A/cm² 이상의 전류를 흘려줄 수 있다. 열 전도도는 자연계에서 가장 뛰어난 다이아몬드와 같거나 그보다 2배 높다. 이러한 특성은 sp² 결합과 나노튜브의 1차원 구조에서 기인한다.

탄소나노튜브는 다양한 분야에서 응용된다. 구조 물질의 첨가제로 사용되어 침구류, 야구방망이, 골프채, 자동차 부품, 다마스쿠스 강 등에 소량 첨가된다. 반도체와 평판 디스플레이, 배터리, 초강력 섬유, 생체 센서, 텔레비전 브라운관 등에도 활용된다. 나노기술, 전기공학, 광학 및 재료공학 분야에서 유용하게 쓰일 수 있다.