탄소나노튜브

탄소나노튜브는 흑연의 한 층인 그래핀(Graphene) 시트가 원통형으로 말려 있는 구조를 가진다. 탄소 원자 하나가 주위의 다른 탄소 원자 3개와 결합하여 육각형 벌집 무늬를 형성하며, 이 결합은 흑연과 같은 $sp^2$ 혼성 결합으로 이루어진다. $sp^2$ 결합은 다이아몬드에서 발견되는 $sp^3$ 결합보다 강하여 탄소나노튜브가 매우 높은 기계적 강도를 갖게 하는 원인이 된다.

나노튜브의 지름은 보통 수 나노미터(1 nm = $10^{-9}$ m)에 불과하며, 이는 머리카락 굵기의 약 10만 분의 1 수준이다. 반면 길이는 수 밀리미터까지 성장할 수 있어 길이 대 지름의 비(종횡비)가 매우 큰 것이 특징이다.

탄소나노튜브의 존재는 1991년 일본 NEC 연구소의 이이지마 스미오 박사에 의해 공식적으로 확인되었다. 그는 전기방전법을 이용해 흑연 음극상에 형성된 탄소 덩어리를 투과 전자 현미경(TEM)으로 분석하던 중 이 구조를 발견하여 학계에 보고하였다. 이는 1985년 탄소 동소체인 풀러렌($C_{60}$)이 발견된 이후 탄소 나노 구조 연구의 중요한 전환점이 되었다.

탄소나노튜브는 벽의 개수에 따라 크게 두 가지로 분류된다.

• 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT): 한 겹의 그래핀 시트가 말린 구조로, 지름이 0.4~2.0 nm 정도로 매우 가늘다. 말리는 각도(Chirality)에 따라 금속성 또는 반도체성 특성을 나타낸다.
• 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT): 여러 겹의 그래핀 시트가 동심원 구조로 겹쳐진 형태이다. 단일벽에 비해 제조가 용이하고 기계적 강도가 우수하여 산업적으로 널리 쓰인다.

최근 연구에서는 탄소나노튜브가 완전한 원통형이 아닌 리본 모양의 그래핀이 나선형으로 말린 구조라는 가설도 제기되고 있다.

탄소나노튜브는 기존 물질들과 차별화되는 우수한 물리적 특성을 지닌다.

1. 기계적 강도: 철강보다 약 100배 강하며, 탄성력이 뛰어나 15% 이상의 변형에도 견딜 수 있다.
2. 전기적 특성: 구리보다 약 1,000배 높은 전류 밀도를 견딜 수 있으며($10^9$ A/cm² 이상), 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 띤다.
3. 열적 특성: 열 전도도가 다이아몬드와 유사하거나 약 2배 높을 정도로 열 전달 능력이 탁월하다.
4. 화학적 안정성: 탄소 원자 간의 강한 결합으로 인해 화학적으로 매우 안정적이다.

탄소나노튜브를 합성하는 주요 방법은 다음과 같다.

• 화학 기상 증착법(CVD): 석영관 반응기에 촉매(철, 니켈, 코발트 등)를 넣고 탄화수소 가스를 주입하여 고온에서 나노튜브를 성장시키는 방식이다. 대량 생산에 유리하여 가장 널리 사용된다.
• 전기방전법(Arc-discharge): 두 탄소 전극 사이에 높은 전압을 걸어 발생하는 아크 방전을 이용해 탄소를 증발시켜 합성한다.
• 레이저 증발법(Laser ablation): 흑연 타겟에 고에너지 레이저를 조사하여 탄소를 기화시킨 후 냉각하여 수집하는 방법이다.

탄소나노튜브는 다양한 산업 분야에서 차세대 소재로 활용된다.

• 전자공학: 반도체 소자, 평판 디스플레이의 전계 방출원, 투명 전도성 필름 등에 사용된다.
• 에너지: 이차전지(배터리)의 도전재, 연료전지, 슈퍼커패시터의 전극 재료로 쓰여 효율을 높인다.
• 복합소재: 고강도·경량화가 필요한 골프채, 자동차 부품, 항공우주 소재의 강화재로 첨가된다.
• 바이오 및 센서: 미세한 가스 분자나 생체 물질을 감지하는 고감도 센서로 활용된다.