[무기화학개론]CNT(탄소나노튜브) 1부








 

CNT 정의


탄소나노튜브(Carbon Nanotube; CNT)란 지구상에 다량으로 존재하는 탄소로 이루어진 소동소체로서 하나의 탄소가 다른 탄소원자와 육각형 벌집무늬로 결합되어 튜브형태를 이루고 있는 물질이며, 브의 직경이 나노미터(nm=10억분의 1미터) 수준으로 극히 작은 영역의 물질입니다. 탄소나노튜브는 우수한 기계적 특성, 전기적 선택성, 뛰어난 전계방출 특성, 고효율의 수소저장매체 등을 지니며 현존하는 물질중 결함이 거의 없는 완벽한 신소재로 알려져 있습니다.

고도의 합성기술에 의해 제조되며, 합성방법으로는 전기방전법, 열분해법, 레이저증착법, 플라즈마 화학 기상 증착법, 열화학기상증착법, 전기분해방법, Flame합성방법 등이 있습니다.

탄소나노튜브는 21C 꿈의 신소재라 불리며 과학의 발전정도에 따라 항공우주, 생명공학, 환경에너지, 재료산업, 의약의료, 전자컴퓨터, 보안안전, 과학교육 등 거의 모든 분야로 응용의 범위가 넓혀지고 있습니다.


기술 개요

1991년 일본전기회사(NEC) 부설 연구소의 이지마 스미오 박사가 전기방전법을 사용하여 흑연의 음극상에 형성시킨 탄소덩어리를 분석하는 과정에서 발견하였다. 형태는 탄소 6개로 이루어진 육각형 모양이 서로 연결되어 관 모양을 이루고 있다. 

관의 지름이 수∼수십 나노미터에 불과하여 탄소나노튜브라고 일컬어지게 되었다. 나노미터는 10억 분의 1m로 보통 머리카락의 10만 분의 1 굵기이다. 전기 전도도가 구리와 비슷하고, 열전도율은 자연계에서 가장 뛰어난 다이아몬드와 같으며, 강도는 철강보다 100배나 뛰어나다. 

탄소섬유는 1％만 변형시켜도 끊어지는 반면 탄소나노튜브는 15％가 변형되어도 견딜 수 있다. 이 물질이 발견된 이후 과학자들은 합성과 응용에 심혈을 기울여왔는데, 반도체와 평판 디스플레이, 배터리, 초강력 섬유, 생체 센서, 텔레비전 브라운관 등 탄소나노튜브를 이용한 장치가 수없이 개발되고 있으며, 나노 크기의 물질을 집어 옮길 수 있는 나노집게로도 활용되고 있다.





탄소나노튜브의 특성


특성

단일벽 탄소나노튜브

다중벽 탄소나노튜브

비고

지름(nm)

1.2~3

5~100

머리카락(70~100)×103

장력(GPa)

~45

<50~300

합금철 ~2

스테인리스강 ~(0.65~1)

밀도(g/cc)

1.33~1.40

-

알루미늄(Al) ~2.7

전기저항(Ω·m)

10×10-6

5.1×10-8

구리(Cu) 1.7×10-8

전류밀도(A/m2)

~109

-

구리(Cu) 106

열전도율(W/m·K)

~6000

~3000

다이아몬드 2000~40000,

구리(Cu) 393.7



탄소나노튜브의 형태와 종류

1. 전기적
구조에 따라 반도체 혹은 금속 특성을 보이며, 전기전도도가 매우 높다. 단일벽 탄소나노튜브의 전기적 특성은 흑연판이 말리는 각도에 따라 금속성과 반도체성을 가질 수 있다는 점이다. 탄소나노튜브는 말린 각도에 따라 armchair,zigzag, chiral 타입으로 나눌 수 있는데 armchair 나노튜브는 금속성을 zigzag 나노튜브는 갭이 작은 반도체이거나 반금속성질을 chiral 나노튜브는 반도체의 특성을 띤다.

2. 열적
열전도도가 높아 열방출이 용이하며, 고온에서도 잘 견딘다. 탄소 원자 사이의 결합은 현재 반도체의 주종을 이루고 있는 실리콘보다 훨씬 더 강하다. 따라서 실내온도의 공기 중에서 화학적으로 극히 안정되고 강하며, 전자회로 외에도 초강력섬유나 열, 마찰에 잘 견디는 표면재료로도 쓸 수 있다.(기존의 흑연섬유도 대략 강철만큼 강하지만 새로운 나노튜브 섬유는 그보다 10배 내지 100배 정도 강하다.) 그리고 열전도도가 실리콘보다 훨씬 높아 열을 잘 방출하므로 반도체소자가 작동하면서 뜨거워지는 문제가 쉽게 해결된다.

3. 기계적 : 강철보다 100배 이상 강하고 유연성이 뛰어나다. 속이 비어있어 매우 가볍다

4. 화학적 : 다른 화합물과 반응을 잘하지 않으며 매우 안정적이다.






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