무기화학개론 | CNT(탄소나노튜브)

 

 

 

TIP

 

 

1. CNT의 정의
2. CNT의 합성방법
3. CNT의 응용 범위

 

 

 

CNT의 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.

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CNT의 합성방법

1. 전기방전법 (arc-discharge)

전기방전법은 초기에 탄소나노튜브를 합성할 때 주로 사용한 방법입니다. 두 개의 탄소막대를 음극과 양극에 배치하고, 헬륨 분위기하에서 두 전극 사이에 직류전원을 인가하면 전극사이에서 방전이 일어나고 방전에 의해 발생된 다량의 전자는 양극으로 이동하여 양극의 탄소막대에 충돌하게 됩니다. 이때 전자의 충돌에 의해서 양극의 탄소막대에서 떨어져나온 탄소 크러스트들은 낮은 온도로 냉각되어 있는 음극의 탄소막대 표면에 응축됩니다. 이렇게 음극에서 응축된 탄소덩어리에는 탄소나노튜브와 탄소 나노 파티클(particle) 그리고 비정질 탄소덩어리가 포함되어 집니다.

 

Schematic diagram of arc-discharge apparatus.

 

양질의 탄소나노튜브를 합성하기 위해서는 음극을 냉각시키는 것이 필수적이며, 양극의 위치는 가변적이어서 전기방전이 일어나는 동안에 두 극 사이의 거리를 일정하게 유지할 수 있어야 합니다. 그림 1은 탄소나노튜브 합성에 사용되는 전기방전장치의 구조도를 나타내고 있습니다. 두 극 사이에는 일반적으로 직류 전원이 사용되는데, 20∼40 V의 전압 범위에서 전류는 50~100 A 정도일 때 전기방전이 잘 일어납니다.

 

안정적인 방전이 일어나는 두 탄소막대 사이의 거리는 1 mm 이하입니다. 이런 방법으로 합성된 탄소나노튜브는 일반적으로 다중벽 탄소나노튜브 구조를 가지게 되지만, 양극 탄소막대에 Co, Ni. Fe, Y 등의 금속파우더를 적절한 비율로 혼합하여 전기방전을 일으키면 단일벽 탄소나노튜브를 합성시킬 수 있습니다.

 

2. 레이저 증착법 (Laser vaporization)

1995년에 미국 라이스대학의 Smalley 그룹은 레이저 증착법에 의해서 탄소나노튜브를 합성하였습니다. 그림은 Smalley 그룹에서 사용한 레이저 증착장치입니다. 1200 ℃의 오븐 안에 있는 그래파이트 타케트에 레이저를 조사하여 그래파이트를 기화시킵니다. 이때 반응오븐은 헬륨이나 아르곤 가스를 채워넣어 압력을 500 Torr 정도로 유지합니다. 그래파이트 타게트에서 기화된 탄소클러스터들은 저온으로 냉각되어 있는 Cu collector에서 흡착되어 응축됩니다.

 

Schematic diagram of laser vaporization apparatus for the synthesis of multiwalled nanotubes.

 

이와같이 얻어진 응축물질은 탄소나노튜브와 탄소나노입자 그리고 탄소파티클이 함께 섞여있는 상태입니다. 타게트가 순수한 그래파이트로 만들어진 경우에는 응축물질내에 다중벽 탄소나노튜브가 합성되어 있지만, 순수한 그래파이트대신에 Co, Ni, Fe, Y 등을 적절한 비율로 혼합시킨 그래파이트를 타게트로 사용하면 균일한 단일벽 탄소나노튜브를 합성시킬 수 있습니다. 이렇게 합성된 단일벽 탄소나노튜브들은 'rope'의 형태로 존재합니다.

 

3. 플라즈마 화학기상증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)

플라즈마 CVD는 열 CVD에 비해서 저온에서 탄소나노튜브를 합성시킬 수 있는 장점이 있는데, 특히 디스플레이 제작에 주로 사용되고 있는 소다라임 그라스(soda lime glass)의 변형온도인 550 ℃이하에서 탄소나노튜브를 합성시킬 수 있습니다. 일반적으로 플라즈마 CVD에서 방전을 일으키는 전원은 직류(DC) 또는 고주파 전원의 두 가지로 구분됩니다. 고주파 전원으로는 RF(13.56 MHz)와Microwave(2.47 GHz)를 대표적으로 사용하고 있습니다. 플라즈마 방식은 양 전극에 인가되는 고주파 전원에 의하여 챔버 또는 반응로내에 글로우 방전을 발생시키는 방법입니다.

Schematic diagram of plasma CVD apparatus.

 

4. 열 화학기상증착법(Thermal Chemical Vapor Deposition)

최근에 대면적 기판위에서 열 CVD 방법으로 탄소나노튜브를 합성하는 연구가 상당히 진척되었습니다. 열 CVD 합성 방법은 생성물이나 원료가 다양하고, 고순도 물질을 합성하기에 적합하며, 미세구조를 제어할 수 있다는 장점을 가지고 있습니다. 그러나 반응로내에서의 반응가스 유속이 변하게 되면 가스 공급의 불균일이 발생되어 기판에서의 균일도가 좋지 못하고 반응로의 온도변화와 위치등에 따라 반응상태가 영향을 받는 단점이 있지만 장치가 간단하고 대량합성에 절대적으로 유리한 특징을 가지고 있습니다.

 

Schematic diagram of thermal CVD apparatus

 

5. 기상합성법(Vapor Phase Growth)

기존의 C₂H₂, CH₄, C₂H₄, C₂H₆등의 반응가스를 이용해서 탄소나노튜브를 합성하는 대부분의 탄소나노튜브 합성방법은 기판위에 촉매금속을 증착하여 탄소나노튜브를 합성하는 방법입니다. 그러나 기상합성법은 기판을 사용하지 않고 반응로안에 반응가스와 촉매금속을 직접 공급하여 기상에서 탄소나노튜브를 합성하는 방법으로써, 탄소나노튜브를 대량으로 합성하기에 유리한 방법으로 제안되고 있습니다.

 

Schematic diagram of vapor phase growth apparatus

 

6. 전기분해법

이 방법은 흑연막대(음극)를 용융상태의 LiCI 전해질이 함유된 흑연crucible(양극)에 담그고 전기회로를 구성하여 MWNT를 합성하는 방법입니다. 흑연 crucible의 온도는 보통 약 600℃이며 Ar분위기입니다. DC전류를 3^-20A, 20V 미만에서 인가하면 직경이 2^-10nm, 길이가 0.5μm 이상의 MWNT가 합성됩니다. 비정질 탄소 및 encapsulate CNTs가 부산물로 생성됩니다.

 

7. Flame 합성법

이 방법은 CH₄등의 탄화수소화합물이 미량의 산소분위기에서 연소되면서 발생하는 연소열이 열원이 됩니다. 탄소나노튜브 합성을 위한 C₂H₂등의 반응가스와 촉매전구체를 Diffusion Flame 분위기에 흘려줌으로써 합성조건에 따라 MWNT 및 SWNT가 합성됩니다. Flame 분위기의 온도가 600-1300℃의 범위로 균일하지 않아 비정질탄소가 다량 포함되며, 결정성이 다소 떨어지는 편입니다. 저비용으로 대량합성에 용이하며 전극재료에 유망합니다.

 

 

[무기화학개론]CNT(탄소나노튜브) 1부

 

 

[무기화학]CNT(탄소나노튜브) 레포트