탄소나노튜브

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탄소나노튜브

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있다. GMR현상을 이용한 M램은 현재 사용되고 있는 D램보다 처리속도가 빠르고 에너지 효율이 높으며 초고집적도를 실현할 수 있는 메모리로, 우리나라 삼성전자를 비롯한 메모리 분야의 세계적인 기업들이 앞다퉈 개발 경쟁을 벌이고 있는 분야이다.
현대사회에 미치는 영향
① FED(field emission display) 응용
탄소나노튜브를 이용한 전자방출원(emitter) 및 FED(field emission display) 응용에 관한
연구는 최근에 전 세계적으로 가장 활발히 연구되고 있는 대표적인 분야중의 하나이다. 다
음 세대의 첨단 전자정보화 시대에는 지금까지 표시소자로 이용되어 온 CRT(cathode ray
tube)의 뒤를 이어서 LCD(liquid crystal display), LED(Light emitting diode), PDP(plas
ma display panel), FED(field emission display)등의 평판 디스플레이가 주역으로 등장할
것으로 예상된다. 그 중에서도 고화질, 고효율 및 저소비 전력을 장점으로 갖는 FED는 차
세대 정보 디스플레이 소자로 크게 주목을 받고 있다. FED의 핵심기술은 emitter tip의 가
공기술과 안정성에 바탕을 두고 있다. 실리콘 팁이나 몰리브덴 팁은 수명과 안정성에 큰 문
제가 있으며, 전자방출 효율이 좋지 못하기 때문에 높은 전도성과 예리한 tip를 가진 탄소
나노튜브를 emitter tip으로 사용하려는 연구가 현재 가장 크게 주목을 받고 있다.
② 2차전지전극 및 연료전지 응용
탄소나노튜브를 2차전지 전극 및 연료 전지에 응용할 경우에도 많은 기대효과를 얻을수 있
을것으로 예상하고 있다. 현재 사용되고 있는 수소흡착 합금 대신에 탄소나노튜브를 사용하
면 지금의 2차전지에 비해서 무게를 월등히 줄일 수 있고 충전효율을 크게 높일 수 있다.
따라서 탄소나노튜브를 2차전지 전극으로 사용할 경우에는 자동차 배터리, 충전용 건전지,
노트북 컴퓨터 등의 소형 이동용 전자제품에 응용할 수 있는 가능성이 크다. 연료전지는 수
소저장 능력을 높여야 하는데, 탄소나노튜브의 빈 공간을 이용하여 수소를 저장하면 저장용
량이 증가되기 때문이다. 탄소나노튜브는 무게가 가벼울 뿐만 아니라 튜브내에 수소를 저장할
수 있는공간이 많아서 단위 질량 당 전하저장 능력이 뛰어난 것으로 알려져 있다. 탄소나노
튜브를 이용한 연료전지가 개발되면 대체에너지원으로 크게 각광을 받을 것으로 기대된다.
③ Mechatronics 및 고기능 복합체 응용
탄소나노튜브의 우수한 전기전도도와 기계적 강도를 이용하면 SPM, STM 및 AFM의 tip으
로 사용할 수 있다. 현재 AFM tip으로 이용되고 있는 Si 이나 SiN 재질의 tip 경우 시편의
미세결함을 부분적으로 관찰하지 못하는 단점이 있다. 탄소나노튜브 tip을 사용하였을 경우
, 이런 단점을 크게 해결하는 것으로 나타났다. 미세 크기의 탄소나노튜브를 초미세 시스템
의 초미세 연결선, 초미세 파이프, 초미세 액체주입 장치, 탄소나노튜브의 가스 흡착성을 이
용하는 가스센서와 탄소와 생체 조직과의 친화성을 이용한 의료용 장치의 부품으로서의 응
용도 기대된다. 특히 Lieber 등은 나노튜브 tip에 작용기를 부착시킴으로써 표면상의 특정
작용기를 감지하는 센서의 가능성을 제시하였다. 이들은 탄소나노튜브의 tip을 산화시켜 제
거하고, carboxyl 기능기를 tip 에 부착시킴으로서 표면상의 다양한 분자로 화학적 패턴된
표면을 영상화하였고,또한 생화학적 측면에서 ligand-receptor의 상호작용을 관찰하기 위하
여 탄소나노튜브를 적용하였다. 한편 탄소나노튜브의 물성을 이용한 고기능 복합소재의 응
용도 산업전반에 크게 영향을 미칠 것으로 기대된다. 기존의 카본블랙이나 탄소섬유가 고분
자지지체에 전도성 매체로 사용되어지고 있는 것처럼, 탄소나노튜브의 높은 전기전도성을
이용하여 optoelectronics 적용 복합체 연구가 최근 진행되고 있다. 현재까지 탄소나노튜브
제조비용이 매우 높기 때문에 복합체 연구에 큰 장애가 되는 것으로 여겨지고 있으나, 비용
이 저렴한 탄소나노튜브 합성법이 최근 발표되고 있어 복합체 연구가 크게 주목을 받을 것
으로 생각된다.
탄소나노튜브는 그 존재가 발견된 이후, 인류 역사상 탄소나노튜브 만큼 빠른 속도로 발전
한 재료가 없다고 할 만큼 많은 주목을 받고 있고, 미시 및 거시적인 측면에서 다양한 응
용이 예상되는 신기능 재료이다. 앞서 소개한 탄소나노튜브의 특이한 구조 및 물성이 보여
주는 다기능성, 고기능성은 정보 통신 기기의 필수 3요소인 평면표시소자, 메모리소자, 전
지에 응용력이 뛰어나며 기존의 소자가 가지고 있는 물성의 한계를 극복할 수 있어서 전
세계적으로 경쟁력 우위를 확보하기 위한 전략들이 다각적으로 추진 중에 있다. 이러한 소
자를 구현하기 위해서는 그 기능에 따라 다양한 구조의 탄소나노튜브가 필요하다. 예를 들
어 FED를 구현하기 위해서는 대면적의 유리 기판 위에 직경이 작은 다층 탄소나노튜브를
수직적으로 성장할 수 있어야 하고, 유리기판의 용융점보다 낮은 온도에서 탄소나노튜브
를 성장할 필요가 있다. 메모리 소자에 응용하기 위해서는 개개의 탄소나노튜브 조작이
가능해야 할 뿐만 아니라 각각의 양자 특성 이해가 선행되어야 한다. 또 고품질 탄소나노
튜브, 길이 제어, 직경 제어, 금속 CNT 접합제어 등의 구조 제어가 선행되어야 하고, Te
rabit급 메모리를 구현하기 위해서는 궁극적으로는 array 기술이 확립되어야 한다. 탄소나
노튜브를 2차 전지나 연료전지의 수소 저장 용기 등에 응용하기 위해서는 직경이 커야하
고, 금속의 성질을 가져야하며, 길이가 짧아야 수소 저장 용량이 증가하고 저장 또한 용
이하다. 또 저장 능력을 높이기 위해 doping이 필요하며 잘 정제된 다량의 탄소나노튜브
가 요구된다. 따라서 탄소나노튜브를 각종 소자에 응용하기 위한 일차적인 선행 기반 기
술로는 탄소나노튜브 구조 설계 기반이 반드시 확립되어야 하며, 이차적으로는 탄소나노
튜브를 이용한 각종 소자기능 제어 기술이 뒤따라야 한다.

키워드

탄소,   나노,   튜브