반응 조건 변화에 따른 Carbon Nanotube 성장

김창근, 주오심*, 정광덕*, 한성환*, 이재의

아주대 화학공학과, KIST 촉매화학 연구실*

Carbon Nanotube growing depends on reaction conditions

Chang-Gun Kim, Oh-Shim Joo*, Kwang-Deog Jung*, Sung-Hwan Han*,

Jae-Eui Yie

Dept. of Chemical Engineering, Ajou Univ.

Catalysis Lab.,Korea Institute of Science and Technology*□□□

서론□

나노사이즈 물질들은 양자효과 때문에 그 성질들이 사이즈와 모양에 크게 의존하고 부피에 비해 아주 큰 표면적을 갖고 있다. 완전히 새롭고 혁명적인 신물질 창조에 이러한 특성이 활용되면서 나노과학은 각각의 원자와 분자를 제어할 수 있고 미래사회를 혁명적으로 바꿀 수 있는 가장 최첨단 과학기술로 급부상하였고 세계적으로 가장 활발히 연구되고 있는 분야이다. 그 중에서도 탄소나노튜브는 이론과 실험이 밀접하게 함께 발전하는 연구 분야로서 유전공학과 더불어 가장 많은 연구원들이 투입되고 있는 과학분야이다. 산업적으로도 미래의 첨단산업으로 방향이 전환되고 있는 현시점이나 미래에도 제일 많은 연구인력을 필요로 하고 있는 분야이다.

이론

Carbon Nanotube는 육각형 고리로 연결된 탄소들이 긴 대롱모양을 이루는 1nm(10억분의 1m)크기의 미세한 분자로서 흑연을 미세하게 종이처럼 자르면 마르면서 생기는 미래형 소재이다. 이러한 모양의 Carbon Nanotube는 강도가 강하면서도 끊어지지 않고 휠 수 있으면서, 다시 본래의 모양으로 돌아오기도 하는등 그 특성이 타의 추종을 불허한다. 특히 계속적인 반복에도 전혀 손상되거나 마모되지 않는 놀라운 특성을 가지고 있다. 1991년 Iijiima에 의해 탄소 나노 튜브가 발견되면서 탄소 나노 물질은 여러 가지 방법으로 제조가 가능 하고 아주 미세한 섬유나 튜브형태의 탄소 재료로서 독특한 구조를 가지므로 특별한 물리학적 성질을 지니는 것으로 알려져 있다. 흑연 기저면에서 탄소의 sp2결합은 다른 어떤 결합보다 단단한 결합이지만, 면간 사이의 결합은 매우 약한 결합을 갖고 있다. 이러한 흑연구조의 이방성은 전기 및 열전도도에서 나타나게 된다. 즉, 면 방향으로는 우수한 전기전도도와 열전도도를 갖는 반면, 면의 수직 방향으로는 나쁜 전도 특성을 갖는다. 이러한 면상의 우수한 특성만을 이용하고자 했던 것이 탄소섬유였지만, 기존에 제작되었던 탄소섬유는 그 구조의 불완전성으로, 계산된 이론값을 갖지 못했다. 1991년 결함이 거의 없는 완벽한 구조의 CNT가 발견되었을 때, 초강도 및 초전도성 탄소섬유로의 이용은 당연한 결과였다.

sp2결합만으로 이루어진 CNT의 기계적 특성은 간단히 말해 가벼우면서도 단단하고 부러지지 않는 재료라 할 수 있다. 실험적으로 100∼150 GPa의 압축강도를 보였으며, 영률은 수 TPa의 값을 나타내었다. 전기 및 열전도도를 실험적으로 측정하려는 시도가 이루어졌고, 매우 우수한 전도 특성이 확인되었다. 이외에도 매우 큰 종횡비의 구조적 특성, 탄소계 물질의 특성인 화학적 안정성, 생체친화성을 가져 많은 응용분야가 기대되고 있다.  탄소나노튜브는 원통형 구조를 가지고 있으며 single-walled 또는 multi- walled 탄소 나노 튜브로 분류되고 있으며 제조 방법에 따라 생성되는 탄소 튜브의 형태가 결정된다.

표준 arc-evaporation은 오직 Multilayered Tubes만을 만든다. 흑연전극에 코발트 같은 금속의 추가는 Single-Layer Wall로 극히 좋은 튜브가 되는 것이 발견되었다.

화학 증착법은 전이 금속 혹은 그 합금을 촉매로 사용하여 탄화수소를 분해되어 탄소가 촉매로 침전 및 화학 증착 반응을 통해 성장하는 방식이나, 탄소 나노 튜브가 성장 되는 driving force의 원인에 대해서는 그 이론이 완전히 정립되지 않았다. 물론 금속 촉매의 종류 및 제조 방법에 따라 다양한 형태의 나노 튜브가 형성되는데, 생성되는 각각의 platelet 사이의 거리는 동일한 특징이 있다.

현재까지의 나노 튜브를 합성하기 위해 사용 되어온 아크 방전 법이나 플라즈마 법은 탄소 나노 튜브의 대량 생산이 어렵고 가격도 비싸서 많은 양의 탄소 물질을 필요로 하는 응용 분야에 적용하기는 어렵다. 그래서 현재는 탄화수소 가스들을 (CO, C2H2, C3H8, CH4, C2H6) 금속 촉매를 통과 시켜 나노 튜브를 성장 시키는 CVD(Chemical Vapor deposition)법이 이용되고 있으며 이 방법의 장점은 비교적 저온에서 탄소 나노 물질을 성장시킬 수 있으며 대규모 생산에 적합하다는 것이다. CVD법을 이용하여 Fe, Ni, Co 등과 같은 금속 촉매 입자를 적절한 기질(substrate)위에 담지 시키고 금속 입자, 탄화수소 가스의 분압 , 반응 온도와 반응 시간 등과 같은 조건을 조절하여 탄소 나노 튜브를 합성 할 수 있다. CVD법을 이용한 탄소 나노 튜브의 합성은 성장 속도가 빨라 튜브가 곧고 그 길이도 상대적으로 길다. 나노 탄소 재료를 저온에서 성장시킬 경우 촉매 및 탄화수소의 선택 범위가 넓어 제조가 용이하며 낮은 온도로 인한 에너지 비용이 저렴하여 범용 탄소 섬유보다 낮은 가격으로 제조가 가능하다.

실험

탄화수소를 열분해 할 때 탄소 성장에 활성을 나타내는 Co, Ni, Fe 등과 같은 금속을 표면적이 높은 Alumina에 담지하여 촉매로 사용하였다. 함침법(impregnation)을 이용하여 담체위에 Ni-Fe(1:1)의 0.25M nitrate solution을 만들어서 촉매에 올렸으며 120□C 에서 하룻밤 동안 건조 시켰고 900□C에서 5시간동안 calcine 하였다. 이렇게 담지 된 금속 촉매를 온도 Methane, Ethylene, Propane등의 Hydrocarbon source를 흘려 주면서 반응 시켜 carbon nanotube를 성장시켰다. 이렇게 해서 얻어진 sample들을 BET, Raman spectroscopy, SEM, TEM등으로 분석하였고 resistence, inductance등의 전기적 성질 또한 연구하였다.

결과 및 토론

반응 시간이나 온도에 따라 carbon nanotube의 특성이 틀려짐을 알수 있었고 Raman분석에 따르면 carbon source와 온도에 따라서 서로 다른 peak를 보임을 알수 있었다. 그리고 특히 반응 시간에 따라 전기적인 성질(resistance, inductance)도 pattern을 가지고 변화함을 알수 있었다. 본 연구에서는 carbon nanotube 제조를 위한 반응 조건 특성 외에 제조된 carbon nanotube의 전기적 특성에 대해서도 논의 될 것이다.

참고 문헌

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(1999)1649

그림  수소 저장 장치도

5hrs                            30hrs

50hrs

그림 2. 반응 시간에 따른 Carbon nanotube의 SEM morphology