분야
doc ◎ 탄소나노튜브의 구조와 종류
탄소나노튜브는 그림1에서 볼 수 있듯이 지그재그(zigzag)와 암체어(armchair)라고 알려진 두개의 대칭구조가 가능하지만 실제로 대부분의 탄소나노튜브는 이러한 대칭 구조를 갖는 대신에 벌집모양의 육각형이 튜브축을 따라서 나선형으로 배열된 카이럴(chiral) 구조를 갖는다.
탄소나노튜브는 벽을 이루고 있는 탄소원자의 결합 수에 따라 크게 단일벽 탄소나노튜브와 다중벽 탄소나노튜브로 나뉜다. 탄소원자로 구성된 벽이 하나인 단일벽 탄소나노튜브(Single-wall Nanotube, SWNT)가 전기전도성, 열전도성이 매우 우수한 반면 탄소원자로 구성된 벽이 두개이상인 다중벽 나노튜브(Multi-wall Nanotube,MWNT)는 전기 및 열적 특성은 다소 떨어지나 기계적 특성이 우수하고 제조가 용이해 산업적 응응 분야가 넓다. 이밖에 단일벽 나노튜브가 여러 개 붙어서 다발을 이룬 튜브 형태인 다발형 나노튜브(Rope Nanotube)도 있다. ◎ 탄소나노튜브의 제조
현재까지 알려진 탄소나노튜브 제조 기술은 전기방전식, 레이저 증착식, 기상증착식 등 5~6가지로 분류되며 국내기업들의 경우 주로 열화학 기상증착식과 전기방전식을 사용하여 제품을 생산하고 있다.
▷ 전기방전식: 진공하에서 양(+)극과 음(-)극에 각각 직경이 다른 흑연봉을 일정한 거리를 띠워 배치시킨 후 전기방전을 유도하는 방법. 양극쪽과 진공 챔버 겉면에서 탄소나노튜브가 생성된다. 이 방법으로 생산된 탄소나노튜브는 품질은 우수하나 대량 생산은 불가능하다. ▷ 레이저 증착식: 전기방전식과 유사하며 방전하는 대신 레이저를 사용하는 점이 다르다. 레이저를 목표하는 흑연봉에 조사, 기화시킴으로써 탄소나노튜브를 생성시킨다. 품질은 가장 우수하나 레이저 사용시 유지보수의 문제가 있고 생산량이 극소량이란 단점이 있어 주로 연구용 탄소나노튜브 제조에 사용된다.
▷ 열화학 기상증착식: 고온의 가열로 안에 탄소 성분의 가스를 흘려주면서 탄소나노튜브를 자연 생성시키는 방법. 촉매와 함께 600~1000 ℃의 고열이 사용된다.
▷ 플라즈마 화학기상증착식: 열화학 기상증착식과 유사한 방법이지만 반응 온도를 낮추기 위해 고주파 전원으로 플라즈마를 발생시켜 반응가스를 분해시킨다. 400~500 ℃의 상대적으로 낮은 온도에서도 탄소나노튜브를 생산 할 수 있다.
◎ 탄소나노튜브 관련 연구개발 동향
탄소나노튜브에 관한 연구는 한국을 비롯해 미국, 일본에서 활발히 진행되어지고 있으나 관련기술의 최선진국은 미국이다. 미국은 탄소나노튜브 소재 개발에 대한 원천특허를 보유하고 있으며 양산체계를 모색하면서 다양한 응용제품의 개발에 나서고 있다. 대표적인 기업으로는 하이페리온(Hyperion Catalysis)과 CNI(Carbon Nanotechnologies)가 있다. 탄소나노튜브의 최초 발견국인 일본은 단일벽 탄소나노튜브의 원천 특허를 보유하고 소재 생산과 응용제품 개발에 전력하고 있다. 미국에 비해 관련 제품시장이 광범위하며 대기업인 NEC, 미쓰비시, 미쓰이 등이 탄소나노튜브 연구를 진행중이고 중소기업인 시와텐코사가 나노파이버를 생산하고 있다. 미국과 일본에 비해 후발 국가인 우리나라는 소재의 원천기술 특허에서는 뒤지지만 탄소나노튜브를 생산하는 공정기술은 거의 대등한 수준에 도달한 것으로 평가된다. 특히, 이미터(emitter)를 이용한 디스플레이 제작 등의 응용기술에서는 3국 중 가장 앞선 것으로 평가된다. 특허청 통계에 의하면 1998년에 20건에 불과하였던 카본나노튜브 관련 국내 특허출원이 2002년에는 212건으로 대폭 증가하는 등 최근 수년간 많은 연구들이 수행되고 있다. 대표적인 탄소나노튜브 관련 특허출원 분야는 다음과 같다. 분야 특허 내용 전기전자 반도체, 디스플레이, 전기통신, 전자회로, 전기소자, 제어, 검사장치, 정보저장 등 화학 탄소나노튜브 제조 및 개질, 복합재료 등 기계 다공성 구조, 공작기계, 나노기술, 마이크로 구조기술 등
한편, 국내외적으로 탄소나노튜브와 관련된 획기적인 연구들을 조사해보면 크게
