탄소나노튜브에 대한 고찰

소개글

탄소나노튜브에 대한 고찰에 대한 보고서 자료입니다.

목차

들어가며...

1. 탄소나노튜브의 구조

2. 탄소나노튜브의 물성
① 전기적 성질
② 열적성질
③ 기계적 성질

3. 탄소나노튜브의 합성 기술
① 전기방전법(arc-discharge)
② 레이저 증착법(laser vaporization)
③ 플라즈마 화학기상증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)
④ 열화학 기상증착법(Thermal Chemical Vapor Deposition)
⑤ 기상합성법(Vapor phase growth)

4. 탄소나노튜브의 전계전자방출 특성

5. 탄소나노튜브의 응용기술
① Emitter 및 FED응용
② 2차 전지전극 및 연료전지 응용
③ 극미세 전자 스위칭소자 응용
④ Mechatronics 및 고기능 복합체 응용

6. 향후 전망

본문내용

로 사용할 경우에는 자동차 배터리, 충전용 건전지, 노트북 컴퓨터 등의 소형 이동용 전자제품에 응용할 수 있는 가능성이 크다. 연료전지는 수소저장 능력을 높여야 하는데, 탄소나노튜브의 빈 공간을 이용하여 수소를 저장하면 저장용량이 증가된다. 탄소나노튜브는 무게가 가벼울 뿐만 아니라 튜브 내에 수소를 저장할 수 있는 공간이 많아서 단위 질량 당 전하저장 능력이 뛰어나다. 탄소나노튜브를 이용한 연료전지가 개발되면 대체에너지원으로 크게 각광을 받을 것으로 기대된다.
③ 극미세 전자 스위칭소자 응용
탄소나노튜브는 직경 및 감긴 형태에 따라서 금속 또는 반도체의 전기적 성질을 조절할 수 있고, 직경 수십 nm 인 튜브를 성장시킬 수 있으므로, 현재의 실리콘 소자를 대체하여 Tera급의 메모리 소자를 만들 수 있을 것으로 예상되고 있다. 네덜란드의 Delft 대학의 Dekker등은 SWNT를 이용하여 상온에서 단분자 규모의 나노소자를 Fig. 21과 같이 제조하였다.
이 소자에서 직경이 1 nm 정도의 반도체 특성을 가지는 탄소나노튜브가 SiO2로 증착된 Si 기판위에 400 nm 간격을 두고 분리되어 있는 두 개의 금속 전극을 연결하고 있음을 볼 수 있다. Dekker등은 전류-전압(I-Vbias) 특성이 gate 전압에 따라 다른 거동을 보이는 서로 다른 두 종류의 탄소나노튜브가 있음을 확인하였다. Gate 전압에 무관하고 I-Vbias 특성이 선형관계를 보이는 금속성의 탄소나노튜브와, Gate 전압에 크게 영향을 받으며 I-Vbias 특성이 비선형 관계를 보이는 반도체 특성의 탄소나노튜브로 분류하였다. Fig. 22는 반도체 특성을 보이는 CNT-based device의 I-Vbias 곡선을 보여주고 있으며, 스위칭 효율(switching efficiency)이 106 정도에 해당하는 on/off 비율을 나타낸다. 이러한 특성을 바탕으로 탄소나노튜브를 이용한 FET(Field-effect transistor) 응용기술은 소자의 처리속도 뿐만 아니라 소형화에 크게 기여할 것으로 기대된다. 최근 서울대학교 임지순 교수팀은 미국 Berkely 대학과 공동연구를 통하여 triod type의 10 nm 크기 탄소나노튜브 transistor를 개발했다고 보고한 바 있다. 이러한 기술은 현재의 현재 실용화된 256 MDRAM 반도체 소자를 1만분의 1로 줄일 수 있는 것으로 평가되고 있고, 앞으로 Terabit DRAM의 등장을 기대해 볼 수도 있다.
④ Mechatronics 및 고기능 복합체 응용
탄소나노튜브의 우수한 전기전도도와 기계적 강도를 이용하면 SPM, STM 및 AFM의 팁으로 사용할 수 있다. 현재 AFM tip으로 이용되고 있는 Si 이나 SiN 재질의 tip 경우 시편의 미세결함을 부분적으로 관찰하지 못하는 단점이 있다. 탄소나노튜브를 tip를 사용하였을 경우, 이런 단점을 크게 해결하는 것으로 나타났다. 미세 크기의 탄소나노튜브를 초미세 시스템의 초미세 연결선, 초미세 파이프, 초미세 액체주입 장치, 탄소나노튜브의 가스 흡착성을 이용하는 가스센서와 탄소와 생체 조직과의 친화성을 이용한 의료용 장치의 부품으로서의 응용도 기대된다. 특히 Lieber 등은 나노튜브 tip에 작용기를 부착시킴으로써 표면상의 특정 작용기를 감지하는 센서의 가능성을 제시하였다. 이들은 탄소나노튜브의 tip을 산화시켜 제거하고, carboxyl 기능기를 tip 에 부착시킴으로서 표면상의 다양한 분자로 화학적 패턴된 표면을 영상화하였고, 또한 생화학적 측면에서 ligand-receptor의 상호작용을 관찰하기 위하여 탄소나노튜브를 적용하였다. 한편 탄소나노튜브의 물성을 이용한 고기능 복합소재의 응용도 산업전반에 크게 영향을 미칠 것으로 기대된다. 기존의 카본블랙이나 탄소섬유가 고분자지지체에 전도성 매체로 사용되어지고 있는 것처럼, 탄소나노튜브의 높은 전기전도성을 이용하여 optoelectronics 적용 복합체 연구가 최근 진행되고 있다. 현재까지 탄소나노튜브 제조비용이 매우 크기 때문에 복합체 연구에 큰 장애가 되는 것으로 여겨지고 있으나, 비용이 저렴한 탄소나노튜브 합성법이 최근 발표되고 있어 복합체 연구가 크게 주목을 받을 것으로 생각된다.
6. 향후 전망
1991년 Iijima에 의해 탄소나노튜브가 처음 발견된 이후 탄소나노튜브 분야에 많은 진전이 있었다. 현재의 기술로서 대량합성방법, 정제방법, MWNT 및 SWNT 합성방법, 수직배향 합성기술, end-cap을 제거하고 이물질을 삽입하는 방법 등에 괄목할만한 성과를 보여주고 있다.
그러나 현재까지도 나노시스템이 갖는 복잡성, 다양성, 미세성 등과 같은 특성으로 인하여 탄소나노튜브의 합성과 응용에 관한 연구가 많이 요구되고 있는 상황이다.
탄소나노튜브의 합성기술은 1998년을 기점으로 기존의 전기방전법, 레이저 증착법으로부터 CVD법으로 급격히 전환된 이후로, 위에서 기술된 현재의 기술뿐만 아니라 탄소나노튜브의 구조 및 형태제어, 대면적 합성기술, 저온합성 기술 등에 아직 해결해야 될 과제들이 많이 남아있는 실정이다.
탄소나노튜브의 물성은 많은 학자들에 의해 뛰어난 전기적, 기계적 성질을 가진다고 이론적으로 증명되었고, 이는 실험적으로 확인되었다.
이러한 탄소나노튜브의 우수한 물성으로 인하여 emitter 및 디스플레이 응용, 2차 전지 및 연료전지, 나노부품 및 시스템, 고기능 복합체등에 관한 탄소나노튜브 응용연구가 더욱 활발히 진행될 예정이다. 특히 탄소나노튜브의 합성과 응용연구가 활성화되면 첨단 전자정보산업 분야의 적용이 빠른 속도로 발전하고 있어서, 차세대 평판 디스플레이 산업분야에서 국내의 기술경쟁력 확보에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
탄소나노튜브 관련분야의 논문이 하루 1편 이상 게재될 만큼 연구가 국내외적으로 적극적으로 추진되고 있으나, 아직까지도 미개척 연구개발 분야가 많은 상태이다.
탄소나노튜브의 합성과 응용에 대한 연구는 외국의 선진연구 그룹에서도 아직 초기 단계이므로 우리나라에서도 탄소나노튜브 분야의 연구에 집중적으로 노력을 기울이면 머지않아 국제 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 예상된다.

키워드

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