나노탄소 튜브와 복합소재 응용CNT (Carbon Nano Tube)

제올라이트 1g 에 100~300 ㎡의 표면적 , 제올라이트 동공 내에 아파트 1 채 정도

무정형 메조세공 실리카 / 탄소 , 에어로젤 물질 표면적 ; 1g 에 1000~2000 ㎡

MOF-177 로 명명된 아연 테레프탈레이트 물질이 BET 식에 의 한 표면적이 1g 에 4000~4500 ㎡

국제규격 축구장 최소 면적 길이 100m, 너비 64m= 6400 ㎡

사람 손 피부

백혈구 DNA 원자

나노기술 (NT, Nano Technology) 은 원자나 분자 정도의 작은 크기 단위에서 물질을 합성하고 , 조립 , 제어하며 혹은 그 성질을 측정 , 규명하는 기술을 말한다 . 일반적으로는 크기가 1 내지 100나노미터 범위인 재료나 대상에 대한 기술이 나노기술로 분류한다

얼마나 작은 크기 ?원자보다는 크지만 광 현미경으로 볼 수 있는 크기보다 작은 크기

10 억 분의 1 미터 =1 나노미터

전자 / 통신 낮은 전력소모 , 적은 생산 비용으로 백만 배 이상의 성능을 갖 는 나노 구조의 마이크로프로세서 소자 . 10 배 이상의 대역폭과 높은 전달속도를 갖는 통신 시스템 현재보다 용량은 크고 크기는 작은 대용량 정보저장장치 대용량 정보를 수집 처리하는 집적화된 나노 센서 시스템 정보저장 , 메모리반도체 , 포켓사이즈 슈퍼 로봇

재료 / 제조 기계 가공하지 않은 정확한 모양의 나노 구조 금속 및 세라믹 분자단위에서 설계된 고강도의 소재 , 고성능의 촉매 뛰어난 색감을 갖는 나노 입자를 이용한 인쇄 나노 크기를 측정할 수 있는 새로운 표준 절삭공구나 전기적 , 화학적 , 구조적 응용을 위한 나노코팅

의료진단 / 치료학 혁명을 가능케 하는 빠르고 효과적 염기서열 분석 원격진료 및 생체이식소자 이용 효과적이고 저렴한 보건치료 나노 구조물을 통한 새로운 약물전달 시스템 내구성 및 생체 친화력 있는 인공기관 인체의 질병을 진단 , 예방할 수 있는 나노센싱 시스템

생명공학하이브리드 시스템의 합성피부 , 유전자 분석 / 조작 분자공학으로 제작된 생화학적 분해 가능한 화학물질 동식물 유전자 개선 동물 유전자와 약물공급 나노 배열을 기반으로 한 분석기술을 이용한 DNA 분석

환경 / 에너지 새로운 배터리 , 청정연료 광합성 , 양자태양전지 나노미터 크기 다공질 촉매제 극미세 오염물질을 제거할 수 있는 다공질 물질 자동차 산업 - 금속 대체 나노 입자 강화 폴리머 무기물질 , 폴리머 나노 입자 이용 친환경 타이어

국방무기체계 변화 ( 소형화 , 고속 , 장거리 이동능력 향상 ) 무인 원격무기 ( 무인 잠수함 , 무인 전투기 , 원격센서시스템 ) 은폐 (Stealth) 무기

항공우주 저전력 , 항 방사능 고성능 컴퓨터 마이크로 우주선을 위한 나노 기기 나노 구조 센서 , 나노 항공 전자공학 내열 , 내마모성을 갖는 나노 코팅

독특한 특성으로 인해 전세계적으로 연구 집중

직경 : 수십 ~ 수백 nm , 길이 : 수십 ~ 수백 um

CNT 는 높은 기계적 강도 , 뛰어난 전기 전도도 , 열적 / 화학적으로 안정적 성질 보유

흑연면이 나노 크기의 직경으로 둥글게 말린 상태로 면이 말리는 각도 / 구조에 따라 금속 또는 반도체 특성

Single-walled Carbon Nanotube

Double-walled Carbon Nanotube

Multi-walled Carbon Nanotube

SPM(Scanning probing

Microscopy) 을 이용 , 탄소나노섬유를 수은

액체상에 담지하여 전도성을 측정 . 그 결과 CNT 가

양자거동을 보이면서 획기적인 전도성 확인됨

전기적성질

상온에서 열전도도가 6,600W/mK 로 높은 값을

확인 , Phonon 의 평균 자유경로가 아주 큰 것에

기인하는 것을 이론적으로 입증

열적성질

SWNT 는 강철보다 10~100 배 견고 .

물리적인 충격에 강함 . 나노튜브 팁에 힘을 가하면 손상 없이 구부러지며 , 힘을

제거하면 원래상태로 돌아가는 성질이 있음

기계적성질

이미 도핑이 된 효과를 지니고 있으므로 응용을 위해 따로 도핑 불필요

엄지 손톱만한 면적에 Encyclopedia Britannica 전질 100 배 정보 기억

탄소 원자 사이의 결합은 반도체 실리콘보다 훨씬 더 강함

열전도도가 실리콘보다 훨씬 높아 열을 잘 방출하므로 반도체소자가 작동하면서 뜨거워지는 문제가 쉽게 해결됨 .

새로운 방면에 응용이 가능 . 실리콘에서는 어려웠던 생물체와의 직접적인 정보교환 ( 일종의 interface) 도 용이해질 것으로 기대

고도 기술이 필요하므로 대량생산이 아직 요원

트랜지스터를 만들기 위해 회로를 어떻게 깔 것인가도 풀어야 할 문제

반도체를 개량하는 것보다 전혀 새로운 응용 가능성을 탐구하는 것이 바람직

아크 방전법 (Arc discharge)아크 방전법 (Arc discharge)1

레이저 증착법 (Laser Ablation)레이저 증착법 (Laser Ablation)

화학기상 증착법 (Chemical Vapor Deposition)화학기상 증착법 (Chemical Vapor Deposition)

열 분해법 (Pyroysis of Hydrocarbon)열 분해법 (Pyroysis of Hydrocarbon)

HIPCO (High Pressure Carbon Monoxide Process)HIPCO (High Pressure Carbon Monoxide Process)

2

3

5

4

아크 방전법 (Arc discharge)아크 방전법 (Arc discharge)1

Iijima 에 의해 처음 소개

촉매 ( 주로 전이금속 ) 을 사용하지 않고 , 탄소봉만 사용하면 MWNT 가 생성되며 전이금속 촉매를 탄소봉에 섞어 사용하면 SWNT 가 생성

고품질 제조 가능하나 , 수율이 낮고 재현성을 얻기 어려움

1995년 Rice university, Smalley 그룹에서 시작

단일벽 탄소 나노튜브 합성에 장점 ( 고순도 성장이 가능 )

탄소나노튜브의 직경 , 길이 , Chirality 등에 따라서 분류 , 정제 공정이 필요함

레이저 증착법 (Laser Ablation)레이저 증착법 (Laser Ablation)2

탄소를 포함하고 있는 탄화수소기체와 기판으로는 전이금속 이 사용됨

재현성이 있고 , 고순도의 탄소나노튜브를 얻을 수 있음

촉매 크기를 제어하여 직경을 쉽게 제어할 수 있음

나노 전자소자용 합성에 가능성 있는 방법으로 주목

화학기상 증착법 (Chemical Vapor Deposition)화학기상 증착법 (Chemical Vapor Deposition)3

액상 또는 기상의 탄화수소를 전이 금속과 함께 가열된 반응관 안으로 공 급하여 , 탄화수소를 분해 시켜 기상상태에서 나노 튜브를 합성하는 방법

단일벽 및 다중벽 CNT

열 분해법 (Pyroysis of Hydrocarbon)열 분해법 (Pyroysis of Hydrocarbon)4

Rice University 에서 99년도에 처음 개발

일산화탄소 증기를 고(10~100) 기압에서 사용하고 , 가스 상태의 촉매전구기체를 공급

촉매 전구체의 분해 온도를 통하여 단일벽 탄소나노튜브 를 성장

HIPCO (High Pressure Carbon Monoxide Process)HIPCO (High Pressure Carbon Monoxide Process)5

CNT 를 이용한 전자 방출원 (Emitter) 및 FED(Field Emission Display) 응용에 관한 연구는 세계적으로 가장 활발히 연구되고 있는 대표적인 분야

CNT 를 전자방출 Emitter 로 사용할 경우 , CNT 의 수직배향특성이 우수하고 대 면적 기판에서 합성이 가능하면 Emitter 로 적용할 경우 전기적인 특성이나 생산성에서 유리하게 됨

Smalley 등에 의해 단일벽 나노튜브의 FED 전자방출능력이 확인된 이후 , DeHeer등에 의해 FED 설계가 시도

전자 방출원전자 방출원

연구 동향연구 동향

Chang 등 : 탄소 나노튜브 - 전도성 에폭시 복합체를 이용한 스크린 프린팅법 으로 다이오드 타입 FED 을 제작 Saito 등 : MWNT 를 이용한 FED 의 가능성을 제시 삼성종합기술원 : 스크린 프린팅법으로 9 inch FED 영상 구현에 성공

에너지 분야에너지 분야

2 차 전지 전극 및 연료 전지에 응용할 경우에도 많은 기대효과를 얻을 수 있음 수소흡착 합금 대신에 CNT 를 사용하면 지금의 2 차 전지에 비해서 무게 를 월등히 줄일 수 있고 충전효율을 크게 높일 수 있음

나노 전자 소자나노 전자 소자

CNT 는 직경 및 감긴 형태에 따라서 금속 또는 반도체의 전기적 성질을 조절할 수 있고 , 직경 수십 nm 튜브를 성장시킬 수 있으므로 , 현재 실리콘 소자를 대체하여 Tera 급 메모리 소자를 만들 수 있을 것으로 기대 CNT 를 이용한 FET (Field-Effect Transistor) 응용기술은 소자의 처리속도뿐만 아니라 소형화에 크게 기여할 것으로 기대 현재 집적회로 제작에는 이르지 못하고 있음

Mechatronics 등Mechatronics 등

주사탐침현미경 , 초미세 나노저울 , 나노핀셋 , 나노 화확센서 , 나노크기의 선형 베어링과 스프링 등의 재료로 유용 . 높은 강도 및 탄성계수 , 낮은 마찰계수 등 우수한 기계적 특성으로 고강도 구조용 소재분야에 개발활동이 활발 그 밖에 관심이 증대되고 있는 분야는 약물 전달 시스템 (DDS) 에 응용 , DNA 분리 등의 바이오 분야에 CNT 를 응용하는 기술 등장

나노 전자 소자나노 전자 소자

CNT 는 직경 및 감긴 형태에 따라서 금속 또는 반도체의 전기적 성질을 조절할 수 있고 , 직경 수십 nm 튜브를 성장시킬 수 있으므로 , 현재 실리콘 소자를 대체하여 Tera 급 메모리 소자를 만들 수 있을 것으로 기대 CNT 를 이용한 FET (Field-Effect Transistor) 응용기술은 소자의 처리속도뿐만 아니라 소형화에 크게 기여할 것으로 기대 현재 집적회로 제작에는 이르지 못하고 있음

Mechatronics 등Mechatronics 등

주사탐침현미경 , 초미세 나노저울 , 나노핀셋 , 나노 화확센서 , 나노크기의 선형 베어링과 스프링 등의 재료로 유용 . 높은 강도 및 탄성계수 , 낮은 마찰계수 등 우수한 기계적 특성으로 고강도 구조용 소재분야에 개발활동이 활발 그 밖에 관심이 증대되고 있는 분야는 약물 전달 시스템 (DDS) 에 응용 , DNA 분리 등의 바이오 분야에 CNT 를 응용하는 기술 등장

Color 구현 전자파 차폐 외장재Color 구현 전자파 차폐 외장재

Color 구현 전자파 차폐 외장재는 일반 비보강 플라스틱 같은 기계적물성 및 성형성을 유지 . 두께에 따라 투명한 색상을 나타냄 . 전자파 차폐 성능이 나타나는 미래형 소재 .

Color 구현 전자파 차폐 외장재Color 구현 전자파 차폐 외장재

CNT ITO 나노 금속

투명성 ○ △ △

전기 전도성 △ △ ○

가격 △ △ ×

색상 ○ △ ○

코팅력 ○ × ×

휨강도 ○ × ○

내환경성 ○ ○ ○

○ = 좋음 △ = 보통 × = 나쁨

고강도 외장재고강도 외장재

CNT 를 이용한 고강도 경량 외장재는 외장재용 플라스틱보다 약 3 배 이상의 강도를 나타내며 밀도는 일반 플라스틱 수준으로 금속 및 기존의 플라스틱 외장재를 대체할 수 있는 성형성 및 높은 강도를 나타내는 소재 .

CNT 의 높은 전기 전도성 , 열전도성 , 강한 기계적 성질 등 장점을 바탕으로 앞으로 여러 분야에서 활용될 것임

현재는 개발초기로서 매우 높은 생산 가격이 들지만 카본 블랙과 비교하여 유사한 생산원가로 향후 생산이 가능할 전망 .

CNT 의 개발 가능성을 염두에 두고 앞으로 관심과 연구가 집중될 것임

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