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탄소나노튜브

손톱 크기의 칩에 백과사전 분량의 정보를 저장할 수 있다면? 이것은 꿈같은 이야기만은 아니다. 그러한 꿈을 현실로 바꿀 수 있는 가능성을 제시하는 것이 바로 탄소나노튜브이다.

집적도가 날로 증가하여 칩 하나에 1기가디램(칩 하나에 10억개의 트랜지스터를 집적시킨 것)의 정보를 저장할 수 있는 반도체 칩이 등장하고는 있으나, 전기저항을 비롯한 기술적 어려움 때문에 회로를 미세화하는 데 점차 한계에 달하고 있다. 이때 혜성처럼 나타난 것이 바로 꿈의 신소재 탄소나노튜브. 이것은 실리콘 반도체보다 집적도가 1만배 이상 되는 새로운 반도체 물질이다.

육각형 벌집 모양을 기본 단위로 하는 탄소 평면을 둥글게 말면 실린더 모양의 튜브를 만들 수 있다. 이것을 나노튜브라 부른다. 그렇게 부르는 이유는 튜브의 직경이 보통 나노미터 (10^-9m, 즉 10억분의 1미터)단위이기 때문이다. 1996년도 이후에 낱개의 나노튜브를 다발 모양으로 합성하는 데 성공했는데, 이렇게 여러 가닥의 튜브가 모여 다발을 이룰 때, 튜브 다발이 도핑한 반도체와 동일한 성질을 갖게 된다는 것이 알려졌고, 이것이 바로 탄소나노튜브인 것이다.

탄소나노튜브의 역사는 비교적 짧지만 1997년도 세계 과학계의 10대 중요연구과제에 선정될 만큼 최근 세계적으로 활발히 연구되고 있는 분야이다. 이것은 탄소나노튜브가 다양한 성질을 가져 과학적으로도 흥미로울 뿐만 아니라 메모리소자, 전자소자 등 무한한 응용 가능성을 제공하고 있기 때문이다. 현재 전세계적인 발전추세로 보아, 탄소나노튜브는 향후 고부가가치를 창출할 수 있는 첨단전자정보산업에 이용될 원천과학기술분야이다. 다가오는 21세기에는 나노튜브를 이용한 새로운 기술혁명이 전세계적으로 엄청난 파급효과를 가져올 것으로 기대된다.

어떻게 만들까

 

▶성장하고 있는 탄소나노튜브

탄소나노튜브를 성장시키기 위해 초기에는 주로 전기방전법이 사용되었으나 현재는 여러 가지 방법에 대한 연구가 활발하게 시도되고 있다. 탄소나노튜브의 대표적인 합성방법으로는 전기방전법, 레이저증착법, 열분해증착법, 열화학기상증착법, 플라즈마화학기상증착법 등이 있다. 쉽게 말해 어떤 방법을 사용하든 기본적으로 탄소를 '태우는' 과정을 통해 탄소나노튜브를 만들어낸다고 생각하면 된다.

탄소나노튜브는 합성할 때 사용하는 전이금속의 유무와 종류에 따라서 단중벽 나노튜브(Single-wall Nanotube), 다중벽 나노튜브(Multi-wall Nanotube), 다발형 나노튜브(Rope Nanotube)로 구분되어 합성된다. 그 예로서 전기방전법에서는 전이금속을 사용하지 않으면 다중벽 탄소나노튜브가 합성되고, 전이금속을 사용하면 단중벽 탄소나노튜브가 합성되며 화학기상증착법에서는 전이금속의 종류에 따라서 단중벽 탄소나노튜브와 다중벽 탄소나노튜브가 합성된다.

▶탄소나노튜브의 종류

탄소나노튜브의 구조

탄소가 만드는 축구공, 플러렌

탄소는 지구상에서 흑연 및 다이아몬드의 두 가지 결정형태로 존재하며 오랜 세월동안 인류와 친숙하게 지내온 물질이다. 탄소 나노튜브에 대해 알기 전에 20세기 말 최대의 발견으로 일컬어지기도 하는 플러렌(fullerene)의 역사부터 짚어 보자. 자연상태에서 안정적인 탄소 동소체는 흑연과 다이아몬드 두 가지만 알려져 있었다. 그런데 1985년 미국 라이스대학의 스몰리 교수와 영국 서섹스 대학의 크로토 교수가 제3의 탄소 동소체를 발견했는데 이것이 바로 탄소원자 60개가 모여 축구공 모양을 가지는 C60, 즉 플러렌이다.

과학자들은 혜성처럼 나타난 플러렌이 초고성능 윤활유, 고강도 신소재, 신약, 고성능 배터리 등은 물론 상온 초전도체 개발에도 획기적인 전기를 가져올 것이라 예측했다. 화학자들은 이 새로운 물질을 19세기의 벤젠의 발견과 견줄만하다고 말하고 있다. 노벨화학상 수상자인 UCLA의 도널드 크램 교수는 "플러렌으로부터 전혀 새로운 화학이 탄생할 것"이라 예언한 바 있다. 실제로 이 발견으로 인해 스몰리와 크로토는 1996년도 노벨화학상을 받기도 했다.

하지만 과학자들의 예상과는 달리 플러렌의 실용화에는 여러 장애가 있다는 점이 알려졌다. 예를 들어 플러렌의 구조가 너무 안정적이어서 필요한 조작을 하기에 힘들다든가 생산이 쉽지 않아 연구해봤자 실용화에는 한계가 있다는 등의 문제점들이 밝혀졌던 것이다.

▶ 탄소의 종류

나노튜브의 탄생

그런데 1991년 일본전기회사(NEC) 부설연구소의 이지마박사가 플러렌 연구에 골몰하던 중 우연히 가늘고 긴 대롱 모양의 탄소구조가 존재한다는 것을 전자현미경을 통해 확인했다. 그는 이 사실을 세계적인 과학학술지인 Nature에 보고했고, 이것이 탄소나노튜브 연구의 시작이었다.

탄소나노튜브의 등장은 플러렌에서 막혔던 연구를 다시 활성화시켰다. 탄소나노튜브는 전기적으로 도체의 성질을 가지고 있고 가늘고 길기 때문에 조작하기가 쉬워 축구공 모양을 하고 지극히 안정화되어 있는 플러렌과 달리 응용범위가 매우 넓었다. 더구나 탄소나노튜브는 지금의 크기나 각도에 따라 반도체가 된다는 중요한 사실이 밝혀졌던 것이다.

탄소나노튜브에서 하나의 탄소원자는 3개의 다른 탄소원자와 결합되어 있고 육각형 벌집 무늬를 이룬다. 알기 쉽게 설명하자면, 편평한 종이 위에 이러한 벌집 무늬를 그린 후 종이를 둥글게 말면 나노튜브의 구조가 된다. 즉 나노튜브 하나는 속이 빈 튜브 혹은 실린더와 같은 모양을 갖고 있다. 앞서 설명한 것처럼 종이에 벌집 무늬를 그리고 둥글게 말면 나노튜브의 구조처럼 되는데, 이때 종이를 어느 각도로 말았는가에 따라서 탄소나노튜브는 금속과 같은 전기적 도체가 되기도 하고, 반도체가 되기도 한다. 다발 모양이 탄소나노튜브가 무한한 잠재성을 가지게 되는 열쇠인 것이다.

▶ 탄소나노튜브의 구조

한국인이 해명한 탄소나노튜브의 구조

현재 가장 널리 사용되는 반도체소자는 실리콘에서와 같이 반드시 불순물 도핑(doping)을 해야 한다. 순수한 반도체는 전기를 거의 통과시키지 못하는데 붕소(B)나 인(P)같은 소량의 불순물을 일부러 첨가하여 p-n-p형, 혹은 n-p-n형의 반도체를 만들어야 하며 이런 과정을 도핑이라고 한다. 그런데 탄소나노튜브는 그 크기가 작고 안정적이어서 도핑하기가 극히 어려워서 반도체로서의 응용이 힘든 것으로 생각되어 왔다.

하지만 1996년 스몰리 교수가 여러 가닥의 탄소나노튜브가 다발처럼 묶여있는 것을 새롭게 합성하고, 서울대학교의 임지순 교수와 비국 버클리 대학의 마빈 코헨 교수가 탄소나노튜브는 혼자 있을 때에는 전기를 잘 통하는 도체지만 튜브를 여러 다발로 포개놓으면 도핑된 반도체와 같은 특성을 가진다는 사실을 밝힘으로써 이러한 믿음은 깨지게 되었다. 임교수는 이러한 현상이 소위 '거울대칭성(mirror symmetry)'이란 개념을 가지고 이론적으로 해명했고, 이 발견으로 1998년도 한국과학기자클럽에서 수여하는 올해의 과학자상을 받기도 했다.

 

탄소나노튜브의 응용

인간의 신경조직을 닮은 새로운 방식의 반도체 회로의 가능성

탄소나노튜브 반도체는 기존의 실리콘반도체와는 설계 방식이 완전히 다르다. 기존의 실리콘 반도체는 부도체인 실리콘 위에 소량의 불순물을 얹어 미세한 회로를 까는 데 반해 나노튜브는 자체가 반도체이기 때문에 불순물을 얹는 복잡한 과정이 필요없다. 언뜻 생각하면 생산된 나노튜브가 복잡하게 엉켜있어 배관공사와 유사한 회로설계 작업이 어렵다고 판단할 수 있다. 하지만 그러한 복잡성을 잘 이용하면 오히려 컴퓨터 회로의 꿈인 '병렬분산기억소자'로 활용할 수 있는 가능성이 있는 것이다.

이것은 인간의 두뇌구조와 같은 논리회로를 연구해온 신경망 학자들에게는 대단히 반가운 소식이 아닐 수 없다. 이런 측면에서 탄소나노튜브는 그 소재 자체가 인간의 신경조직을 닮은 새로운 물질로서 21세기 반도체 혁명에 또 다른 장을 열어줄 것으로 기대되고 있는 것이다.

▶데이터 저장 시스템

FED

2000년대 첨단 전자·정보화 시대에는 새로운 표시소자들에 의해 전혀 색다른 방식의 디스플레이가 출현할 것으로 기대되고 있다. 현재 디스플레이 시장을 주도하고 있는 주사형 모니터(CRT)는 다양한 영역에서 평면-박막 디스플레이로 대체되고 평면-박막 디스플레이를 주축으로 하는 새로운 시장이 형성될 것으로 예상된다. CRT의 뒤를 이어서 각광을 받게될 평판디스플레이로는 LCD, LED, PDP, FED, EL 등이 현재 거론되고 있다. 그 중에서도 고화질, 고효율, 저소비전력을 장점으로 하는 FED(Field Emission Display)가 차세대 디스플레이 소자로 크게 주목받고 있다.

▶탄소나노튜브 팁

FED의 핵심기술은 FED 팁(tip, 침으로 생각하면 됨) 가공기술과 재료의 안정성에 있는데, 아직까지는 실리콘 팁(Si tip)이나 몰리브덴 팁(Mo tip)을 주로 사용해 오고 있지만 안정성에 큰 문제가 있어서 앞으로는 가공하기 쉬우면서도 안정성이 높은 새로운 재료를 개발할 필요가 있다. 최근 탄소나노튜브를 FED 팁으로 사용하려는 연구가 활발해짐에 따라 탄소나노튜브를 FED에 응용하려는 연구가 국내외적으로 진행되고 있다.

FED의 핵심기술은 먼저 전자를 방출하는 팁을 뾰쪽하게 제작할 수 있어야 하고, 제작된 팁이 바이어스(bias)를 걸었을 때 시간에 따라 특성이 저하되지 않아야 하며, 안정한 구조의 팁을 계속 제작할 수 있어야 한다. FED는 유리를 기판으로 사용하기 때문에 저온성장기술이 필요하고, 아울러 전자방출을 효과적으로 하기 위해서는 탄소나노튜브를 수직으로 성장시키거나 수직으로 세우는 기술이 필요하다.

축전지 및 연료전지

탄소나노튜브를 2차 전지, 즉 축전지의 전극 및 연료전지에 응용할 경우에도 많은 기대효과를 얻을 수 있다. 축전지에서 가장 중요한 문제는 전지의 무게를 줄이는 것과 충전 효율을 높이는 것이다. 전극에 탄소나노튜브를 적용하면 위 두 가지 조건을 모두 만족시킬 수 있어 이 분야의 혁명적인 변화가 예상된다. 연료전지는 가능한 한 수소를 많이 저장할 수 있어야 하는데 나노튜브의 빈 공간을 이용하여 수소를 저장하면 이 한계를 극복할 수 있을 것으로 예상된다. 탄소나노튜브는 무게가 가벼울 뿐만 아니라 튜브 내에 수소를 저장할 수 있는 공간이 많아서 단위 질량당 전하 저장 능력이 뛰어나다. 이처럼 탄소나노튜브의 빈 공간에 수소를 저장하여 차세대 연료전지로 사용할 경우, 그 응용범위는 자동차를 비롯한 각종 시스템의 에너지분야에 다양하게 적용할 수 있다.

또한 탄소나노튜브는 안정된 구조를 갖고 있기 때문에 전극의 수명이 길다는 장점도 갖고 있는 이상적인 전극 재료라고 할 수 있다. 탄소나노튜브를 축전지의 전극으로 쓰면 전극의 무게를 현저히 줄일 수 있어 자동차 배터리, 충전용 건전지, 노트북 컴퓨터 등 소형인 이동형 전자제품에 응용할 수 있어 산업계에 커다란 파급효과를 가져올 수 있다.

극미세 전자 스위칭 소자

오늘날 각종 전자재료의 소형화 추세에 따라 반도체 메모리소자의 크기도 점점 작아지기 때문에 그 가공기술은 거의 한계에 도달하고 있다. 탄소나노튜브는 직경 및 감긴 형태에 따라 전기적, 광학적 성질을 조절 할 수 있을 뿐만 아니라 직경을 수십 나노미터 이하인 수준으로 합성할 수 있다. 따라서 현재의 실리콘 소자를 대신하여 크기가 매우 작은 탄소나노튜브를 메모리 소자에 응용할 경우 현재의 실리콘 공정기술에 의한 소자밀도의 한계를 극복할 수 있을 것으로 기대된다. 그러나 이러한 생각이 현실화되기 위해서는 고순도의 탄소나노튜브를 다량으로 만들 수 있어야 하고, 나노튜브의 길이와 반경을 비롯해 튜브를 자유롭게 조작할 수 있는 기술이 개발되어야만 한다.

메카트로닉스(Mechatronics)

최근 로봇공학 혹은 메카트로닉스 분야에서 전자소자의 크기가 점차 소형화되고 있다. 소형화 기술의 진보에 따라 마이크로로봇을 넘어 나노로봇의 개발로까지 이어질 전망이다. 따라서 미세 소자 사이의 배선 길이도 감소되어야 하는데, 기존의 금속막 대신에 탄소나노튜브를 배선으로 사용하면 우수한 효과가 예상된다. 또한 탄소나노튜브의 우수한 전기 전도도와 기계적 강도를 이용하면 주사탐침현미경(STM)의 팁으로 사용이 가능하다. 아울러 매우 미세한 크기의 나노튜브를 초미세시스템의 연결선, 초미세 파이프, 액체 주입장치 등에도 응용할 수 있다. 나아가 탄소나노튜브의 가스흡착기능을 이용하는 가스센서의 제작과 탄소와 생체조직과의 친화성을 이용한 각종 의료용 장치의 부품으로서의 응용도 기대된다.

▶탄소나노튜브의 응용분야

    탄소나노튜브에 대한 과학적·기술적 내용 및 관련 사진은 군산대학교 탄소나노튜브 연구실의 도움을 많이 받았다. 군산대학교 관계자 여러분께 감사드린다.