탄소나노튜브 (1㎛)
폭탄에도 끄덕없던, 영화 아이언 맨에 나온 슈트 기억하시나요~?
실제로 호주 시드니대 연구진은 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT)로 방탄복을 만들면 초속 2000m로 날아오는 총알에도 끄떡없다고 했답니다. 철보다 강도가 100배 뛰어나며 구리보다 1000배나 높은 전기전도를 가진 탄소나노튜브가 가져올 첨단소재의 활약.. 머지 않은 미래의 현실이랍니다!
#우연히 발견한 탄소나노튜브
지금으로부터 약 20년 전인 1991년, 일본의 이지마 박사가 발견해 낸 탄소나노튜브는 화학업계에 신선한 충격을 가져왔습니다. 이지마 박사는 우연히 흑연 전극에 붙은 물질을 발견했는데, 그 물질이 바로 탄소나노튜브였죠.
탄소나노튜브는 ‘나노(Nano, 10억분의 1m)’라는 이름에서 알 수 있듯이 머리카락의 1만분의 1이라는 10억분의 1m의 아주 가늘디 가는 두께를 가진 탄소소재예에요. ‘튜브’란 이름대로처럼 육각형으로 배열되어 있는 탄소원자가 원통모양을 이루고 있답니다.
#알면 알수록 신비로운 탄소나노튜브
탄소나노튜브가 주목 받는 이유는 이전 소재들이 가지지 못한 탁월한 물질적인 특성 때문이랍니다. 탄소나노튜브는 꿈의 신소재라는 별칭이 붙을 만큼 이전의 소재들이 가지지 못한 놀라운 능력을 가지고 있거든요. 기계적 성질이나 전기 전도도, 열전도도, 반응성 등이 다른 물질에 비해 아주 우수하기 때문에 다양한 분야에 응용될 수 있는 중요한 소재로 부상하고 있습니다.
우리가 전선으로 애용하고 있는 구리보다 열전도율이 천 배 이상 높고 초저온에서 초전도의 성질을 보이기도 합니다. 구리 전선은 가늘게 만들수록 열의 발생 문제가 심해지는데, 탄소나노튜브는 열을 잘 방출하기 때문에 안정적으로 전기를 흘려 보낼 수 있어요.
또한 탄소나노튜브는 다발을 만들어 전압을 가하면 길이가 늘어났다가 전압을 제거하면 원래 모양으로 돌아오는 탄성을 지니고 있어요. 전압에 대한 반응성이 좋은 탄소나노튜브 다발을 이용하면 전압 반응성이 상대적으로 작은 단일 탄소나노튜브보다 응용할 수 있는 분야가 훨씬 넓어진답니다. 또한 강철보다 백 배 이상의 강도를 가지고 있어 견고함이 생명인 구조물을 만드는 데 요긴하게 사용할 수 있습니다.
# 전천후로 활약하는 탄소나노튜브
탄소나노튜브는 국가에서 미래를 이끌 기술의 하나로 꼽은 바 있어요. ‘국가나노기술종합발전계획’의 2015년 세계 최고 수준의 실용화 30대 나노 기술 중 여섯 가지가 탄소나노튜브와 직접 관련이 있는 기술이었거든요.
탄소나노튜브는 차세대 군사 분야 첨단 소재, 투명 전도성 필름, 폴리머 복합체, 자동차용 고 기능성 소재, 열전도성 필름, 차세대 광원 소재, 바이오 센서, 차세대 반도체 소재 등에 적용 될 수 있어요.
탄소나노튜브를 응용하기 가장 적합한 분야 중 하나가 반도체 분야입니다. 탄소나노튜브는 어떻게 만드느냐에 따라서 전기가 통하는 도체로 만들 수도 있고, 반도체를 만들 수도 있어요. 반도체는 전기를 전하는 성질이 도체와 부도체의 중간 정도인 물질을 말해요.반도체는 전류의 흐름을 필요에 따라 조절을 할 수 있기 때문에 다이오드, 트랜지스터, 집적회로 등 각종 전자소재를 만드는 데 필수적인 물질입니다. 탄소나노튜브의 성질을 이용하면 기존에 실리콘 소자를 이용해서 만든 반도체보다 전류의 방향을 원하는 대로 조절하기 쉬운 반도체를 만들 수 있답니다.
탄성이 좋고 가볍고 단단한 탄소나노튜브는 골프채나 스키 등 운동장비 제작에도 유용하게 쓰일 전망이에요. 플라스틱에 탄소나노튜브를 섞으면 전기를 통하게 만들 수 있기 때문에 전기적인 성질을 가진 플라스틱을 만들 수 있답니다. 탄소나노튜브를 쓰면 아주 얇고 전력 소모도 적은 평면모니터를 생산해 낼 수 있다고 해요.
탄소나노튜브는 인간의 진짜 근육의 성질을 가진 인공근육의 소재로 쓰일 수 있는 가능성도 가지고 있습니다. 운동하는 사람들을 보면 탄탄한 근육이 움직이는 모습을 볼 수 있죠? 우리 몸의 근육은 근섬유들이 하나의 묶음으로, 다발을 이루고 있습니다. 근섬유로 구성되어 있기 때문에 유연하면서도 탄탄한 근육의 성질을 가질 수 있게 된 거지요. 이 근섬유는 전기적인 신호에 따라 움직여요. 탄성력이 좋으면서 전기적인 신호에 반응하는 탄소나노튜브는 인간의 근육과 유사한 성격을 지니고 있기 때문에 미래의 인공근육의 소재로 쓰일 전망이에요.
그 밖에 우주의 극한 환경에서도 견딜 수 있는 강도와 우수한 전기전도도 등을 고려한다면 탄소나노튜브는 최첨단 우주 항공용 첨단 소재로도 손색이 없답니다. 적용 분야의 범위가 정말 상상을 초월할 정도로 대단하지요? ^^
#탄소나노튜브의 실용화
이토록 장점이 많은 탄소나노튜브지만 과거에는 저렴하게 대량생산을 하기 힘들었기 때문에 상용화 하기 힘들었어요. 1997년 이미 탄소나노튜브를 이용한 반도체 소자를 만들어 내기는 했지만 나노튜브의 위치를 정확하게 제어할 수 있는 기술이 부족해 실용화에 한계에 부딪치기도 했지요. 탄소나노튜브의 길이를 원하는 대로 늘이거나 일정한 길이로 자르는 기술의 개발도 만만치 않은 일이었습니다.
하지만 최근 품질이 좋아진 탄소나노튜브를 대량생산해 낼 수 있는 기술력을 확보하고 가격 경쟁력까지 갖추어 나가고 있기 때문에 선진국을 중심으로 탄소나노튜브 응용소재 개발이 속도를 내고 있어요.
☆ 여기서 잠깐, 세계 최초로 탄소나노튜브 대량생산기술로 특허를 받은 기업은 바로 한화케미칼이예요. 한화케미칼은 자회사인 한화나노텍을 통해 2008년에 탄소나노튜브의 대량생산 기술을 확보했답니다.
태양에너지를 만드는 데도 탄소나노튜브가 이용될 전망입니다. 노스웨스트 대학 연구진은 이 탄소물질을 바탕으로 혁명적으로 태양 에너지를 이용할 수 있는 방법을 개발해냈습니다. 반도체의 일종인 솔라셀(solar cell material)에는 탄소나노튜브가 응용되는데, 기계적으로 유연한 성질을 지니고 있다는 게 특징이랍니다.
또한 폴란드의 연구진은 사람의 눈에 검은 파우더처럼 보이는 탄소나노튜브에서 빨간 빛을 내게 만드는 방법을 찾아냈어요. 탄소나노튜브의 우수한 전기전도성에 성공적으로 발광물질을 결합해, 탄소나노튜브를 OLED 모니터 관련 기술 분야에 이용할 수 있는 매력적인 물질로 만든 것이죠.
한화케미칼은 현재 탄소나노튜브를 응용한 제품에 대한 연구를 진행하면서, 2011년에는 세계의 탄소나노튜브 관련 전문가와 협력을 통해 ‘꿈의 신소재’로 불리우는 그래핀을 활용한 응용소재 개발 연구에도 진출했답니다. 그래핀은 탄소나노소재의 일종으로 탄소원자가 한 층으로 배열된 나노 구조체로, 2010년 노벨 물리학상을 수상하며 세계 물리학계로부터 그 혁신성을 인정받은 만큼 유망한 소재입니다. 탄소나노튜브 응용소재 개발을 위해 연구소 등과 공동개발을 하고 있으니 곧 우리가 다양한 탄소나노튜브 성과물을 만나 볼 수 있겠죠?^^
* 참고문헌 : 한화케미칼 공식사이트, www.sciencedaily.com
