풀러렌

풀러렌은 1985년 영국의 해럴드 크로토, 미국의 리처드 스몰리와 로버트 컬 등이 헬륨 기체 분위기에서 흑연 막대에 레이저를 쏘아 증발시킨 그을음에서 처음 발견했다. 이들은 60개의 탄소 원자가 축구공 모양으로 결합한 C60 분자를 확인하고, 이를 버크민스터풀러렌이라 명명했다. 이 공로로 세 사람은 1996년 노벨 화학상을 수상했다. 1990년 W. 크래치머 등은 아크 방전법을 이용한 풀러렌 대량 합성법을 개발하여 연구를 활성화했다. 1991년 일본의 이이지마 스미오는 탄소 나노튜브를 확인했다.

풀러렌 중 가장 안정한 C60은 12개의 오각형과 20개의 육각형으로 이루어진 깎은 정이십면체 구조를 가진다. 각 탄소 원자는 단일 결합과 이중 결합으로 연결되어 속이 빈 구체를 형성하며, 지름은 약 1nm이다. C60은 전자 이동성이 높고 전자를 받아들이는 능력이 뛰어나 반도체나 초전도체로 활용될 수 있다. 또한 높은 열 안정성과 화학적 안정성을 가지며, 다양한 유도체 합성이 가능하다. 풀러렌은 다이아몬드와 흑연에 이은 세 번째 탄소 동소체이다.

풀러렌은 탄소 원자 개수에 따라 다양한 종류가 존재한다. C60이 가장 흔하고 안정하며, 그 다음으로 C70이 안정하다. 그 외에도 C76, C78, C82, C84, C90, C94, C96 등 고차 풀러렌이 소량 생성된다. 같은 탄소 개수라도 오각형 배치에 따라 여러 구조 이성질체가 존재한다. 가장 작은 풀러렌은 C20이며, 짝수 개의 탄소 원자로 이루어진 풀러렌이 일반적이다. 또한 금속 원자를 내포한 금속 내포 풀러렌도 합성 가능하다.

풀러렌의 대표적인 합성법은 아크 방전법이다. 헬륨 기체 분위기(압력 약 50~600토르)에서 흑연 전극을 사용하여 아크 방전을 일으키면 그을음이 생성된다. 이 그을음을 벤젠이나 톨루엔 같은 유기 용매로 추출하여 풀러렌을 얻는다. 이 과정에서 C60 외에도 C70 등 다양한 고차 풀러렌이 함께 생성된다. 금속 내포 풀러렌을 만들기 위해서는 금속 원자를 혼합한 흑연 전극을 사용한다.

풀러렌은 독특한 전자적, 구조적 특성으로 다양한 분야에서 연구된다. 유기 태양전지에서 전자 수용체로 사용되어 기존 실리콘 기반 태양전지보다 가볍고 유연하며 저렴한 장점이 있다. 에너지 저장 분야에서는 리튬 이온 배터리나 슈퍼커패시터의 음극 소재로 활용된다. 또한 수지에 첨가하여 내구성과 내열성을 높이거나 정전기 제거, 잡음 필터로의 응용이 시도된다. 의약품, 센서 등에서도 응용 가능성이 연구된다.

풀러렌은 발견 이후 초전도성, N형 반도체 특성 등이 관찰되며 활발히 연구된다. C60을 원료로 하여 두 개가 연결된 이량체(C120)나 풀러렌 폴리머도 합성되며, 가열하면 다시 C60으로 되돌아간다. 또한 풀러렌 내부의 빈 공간(지름 약 0.4nm)을 이용한 금속 내포 풀러렌 연구도 진행된다. 탄소 나노튜브는 풀러렌의 연장선에서 연구되는 중요한 분야이다.