나노공학 - 탄소나노튜브

탄소나노 튜브와 실제 적용 예

개요

나노 기술을 이용하여 신 소재를 만들어 낼 수 있게 됨으로써 새로운 분야뿐만 아니라 기존 제품에도 적용을 하여 제품의 여러 성능을 높일 수 있게 되었다. 그 중 탄소복합체인 탄소나노튜브는 가벼우면서 단단한 강도를 가지고 있고, 전기전도의 특성 조절이 용이한점과 열전도율과 탄성이 좋기 때문에 여러 분야에서 적용가능성이 있으며 이미 시제품에 적용이 되어 판매하는 제품이 있다. 기존의 물질들과의 합성도 가능하여 특성을 향상 시킬 수 있어 한정된 물질적 특성 때문에 제한되었던 많은 일들이 가능하게 되었다.        

 

 

1. 서론

 

기존의 자연적인 물질로는 제품의 성능 향상, 개발이 한정된 물질의 특성 때문에 많은 한계가 있었다. 예를 들어서 방탄복은 방탄복의 강도를 높일수록 무게가 무거워져 이동성이 떨어졌으며 차를 개발할때에는 안전성을 높이기 위해 차체를 강도가 높은 제품을 쓰면 무게가 무거워져 연비가 떨어지는 문제들이 있다.

이러한 문제점들은 나노크기에서 물질을 다루는 나노공학이 태동하면서 새로운 물질의 개발로 많은 부분이 해결되고 있다.

나노 공학이 발전하면 할수록 기존 물질의 한정적인 특성을 가지고 제품을 만들었던 방식에서 제품의 목적에 맞는 특성을 가진 물질을 만들어내어 제품을 설게 및 생산 할 수가 있다.

많은 나노소재중에 탄소로 이루어진 탄소나노튜브는 기존물질 대비 여러 좋은 물질 특성을 가지고 있기 때문에 단독으로 쓰거나 기존 물질과 합성하여 기존 제품들의 성능향상을 할 수 있다.

이에 탄소나노튜브가 무엇인지와 탄소나노튜브를 적용한 제품에 대해 알아보고자 한다.

 

 

2. 탄소나노튜브란 무엇인가

        

금강석(金剛石)이라고 불릴 만큼 자연적인 광물중에서 가장 굳기가 세서 공업용으로 쓰이는 다이아몬드와 작은 힘을 주어도 쉽게 부러지는 샤프심의 재료인 흑연은 같은 탄소로 이루어져있지만 그 구조적인 차이 때문에 강도, 전기전도도 등 다른 특성을 보인다. Fig1.

탄소 나노튜브 또한 탄소로 이루어져있으나 특성은 기존의 다이아몬드와 흑연과는 또다른 특성을 보인다. 탄소 나노튜브는 흑연판을 나노크기의 직경으로 둥글게 만 형태이며 둥글게 마는 각도와 구조에 따라 부도체, 도체, 반도체적 특성을 띄게 할 수 있어, 필요에 따라 전기전도성을 조절 할 수 있다.  Armchiar 나노 튜브는 금속성을 띄고 Zigzag 나노 튜브는 갭이 작은 반도체나 부도체적 특성, Chiral 나노튜브는 반도체적 특성을 보인다. Fig2

또한 결합수에 따라  Single-wall Nanotube, Multi-wall Nanotube, Rope Nanotbue로 나뉜다. Fig3 

그리고 탄소 나노튜브는 탄소원자간의 강력한 공유결합으로 강철보다 1/6의 무게로 100배 높은 인장강도를 나타낸다. 이 높은 인장강도에도 탄성이 좋아 강도를 유지하면서 구부릴 수 있고 변형 후에도 원래의 상태로 돌아온다.

좋은 열전도도와 전기전도도 뿐만 아니라 강도도 뛰어나 다양한 재료와 혼합하면 기존 물질보다 특성이 좋은 혼합물을 만들 수 있다.  

 

 

Fig1. The structure  of  Diamond(Right)

 And  graphite(Left)  [1]

 

 

 

Fig2. The structure  of  Carbon Nanotube

(zigzag,  armchair,  chiral )  [2]

 

 

 

Fig3. Rope and Multi-wall Nanotube [3]

 

 

3. 탄소나노튜브의 적용 예 – 테니스 라켓

 

3.1 테니스 라켓

테니스 라켓은 기존의 재료들로는 라켓을 가볍게 만들면 강도와 내구성이 떨어지는 단점이 있고, 또 라켓의 강도를 높이면 내구성이 좋아지는 대신 라켓의 탄성이 떨어지고 무거워지는 단점이 있었다. 한가지 특성을 보완하면 다른 한가지 특성이 떨어지기 때문에 테니스 라켓에는 가벼움과 동시에 좋은 강도와 탄성을 위해 다양한 신기술이 적용된다. 그 중에서 이 모든 것을 충족시킬 수 있는 탄소나노튜브의 활용이 두드러진다.

이에 여러 스포츠용품 회사에서 탄소나노튜브 테니스 라켓을 만들고 있다.

 

3.2 Yonex의 테니스 라켓 [4]

Yonex의 탄소나노튜브를 혼합한 테니스 라켓은 기존의 탄소나노튜브의 구조를 바꾼 Cup Stacked Carbon Nanotube를 이용하였다.

Cup Stacked Carbon Nanotube는 여러 개의 컵 모양의 탄소나노튜브를 겹쳐놓은 다중구조의 탄소나노튜브로 겹쳐놓은 컵 하나 하나하나의 구조가 충격이 가해질 때 마다 부드럽게 움직여 강도뿐만 아니라 탄성까지 높여 라켓의 빠른 원형복원이 가능하다. 또한 프레임의 탄성을 높여 셔틀콕이 라켓에 머무는 체공시간을 늘림으로써 셔틀콕의 방향을 좀 더 수월하게 조절할 수 있게 하였다.

Fig4. Cup Stack Carbon nano tube  [4]

 

 

4. 탄소나노튜브와 생활

여러 특성을 가진 탄소나노튜브의 발견으로 나노 단위의 물질을 다루는데 더 용이해지고 한정된 물질적인 특성으로 인한 많은 한계들을 극복 할 수 있게 되었다.

CNT를 이용해 주사 탐침 현미경의 Tip을 만들면 이전보다 높은 해상도의 이미지를 얻어 낼 수 가 있으며 나노 저울, 나노 핀셋을 만들어 내어서 나노크기의 물질의 관찰이 용이하게 되었다.

또한 기존 실리콘을 사용한 반도체는 집적도의 한계가 인식이 되고 있었으나 CNT로 대체하여 기존의 반도체를 뛰어넘는 고집적도와 고성능의 반도체를 만들어 낼 수 가 있게 되었다. 고용량의 커패시터의 소재로 이용하면 초고용량의 에너지 저장소자를 만들어 낼 수 가 있다.

또한 섬유와 합성하여 방수옷감 등을 만들 수가 있고, 철과 섞으면 가볍고 높은 강도의 소재를 만들수 있는 등 여러 산업 총체적으로 물질의 특성 향상이 필요한 곳에 쓰이고 있다.  

 

5. 요약

흑연판을 나노크기로 둥글게 말려있는 구조의 탄소나노튜브는 철강대비 100배의 높은 강도를 가지고 있고 탄성, 열전도가 모두 좋고 구조의 차이를 주면 전기전도도를 바꿀 수 있기 때문에 신소재로 각광을 받고 있는 소재이며 다른 물질과 합성하여 물질의 기존특성을 향상 시킬 수 있기 떄문에 많은 응용이 되고 있다. 

 

6. 참고 문헌

[1] http://blog.naver.com/strategicdh/70047016794

[2] 한국 화학연구원 정보집 13 탄소나노튜브 그림[2], 정밀화학 정책 연구센터,

[3] 탄소나노튜브 기술동향 및 시장전망 , 한국과학기술정보연구원, 홍재민 이창환, 2005

[4] http://www.yonex.com/tennis/technology/racquets.html

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과제의 의미를 잘못 이해 .ㅎㅎ;
시험 대신 공부하고 정리하는 의미라 중점을 탄소나노튜브에 두어야 하는데
제품과 적용에 관해서 치중함. 
탄소나노튜브란 무엇인지에 대한 내용 보완이 필요.

중간에 몇 오탈자 수정 안함. 주석에 괄호 등 표기 필요. 참고문헌 출처 표기 부정확.