Transcript Carbon nanotube

Gyeongsang National University
전공 동아리 발표
탄소나노튜브 및 나노복합소재
응용
고분자공학전공 최준
홍
School of Materials Science & Engineering
Composite Interface & NDE Laboratory
Gyeongsang National University
목차
 CNT 정의
 CNT 구조 및 종류
 CNT 물성
 CNT 장점과 단점
 CNT 합성
 CNT 응용기술
 CNT 복합소재 응용
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탄소나노튜브의 정의
탄소나노튜브(carbon nanotube) : CNT
 독특한 특성으로 인해 전세계적으로 많이 연구
 직경 수십~수백nm 길이는 수십~수백um
 CNT는 높은 기계적강도, 뛰어난 전기전도도, 열적 화학적 안정적
성질
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탄소나노튜브의 구조
흑연면이 나노 크기의 직경으로 둥글게 말린 상태이며 이 흑연 면이 말
리는 각도 및 구조에 따라서 금속 또는 반도체의 특성을 보임.
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탄소나노튜브 종류
Single-walled Carbon Nanotube
Carbon Nanotube
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탄소나노튜브 종류
Multi-walled Carbon Nanotube
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탄소나노튜브 종류
Double-walled Carbon Nanotube
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탄소나노튜브의 물성
전기적 성질
열적 성질
SPM(Scanningprobi
ngMicroscopy)을이
용하여 탄소나노섬유
를 수은 액체상에 담
지하여 전도성을 측
정함. 그 결과 CNT가
양자거동을 보이면서
획기적인 전도성을
가진것을 확인
상온에서의 열전도
도가 6,600W/mK
인 아주 높은 값을
확인, Phonon의
평균 자유경로가
아주 큰 것에 기인
하는 것을 이론적
으로 입증
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기계적 성질
SWNT는 강철보다
10~100배 견고하고
물리적인 충격에 강함.
나노튜브의 팁에 힘을
가하면 손상 없이 구
부러지며, 힘을 제거
하면 원래상태로 돌아
가는 성질이있음
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탄소나노튜브의 장점
이미 도핑이 된 효과를 지니고 있으므로 응용
을 위해 따로 도핑할 필요가 없음.
엄지 손톱만한 면적에 Encyclopedia
Britannica 전질의 100배 가까운 정보를 기억
시킬 수 있음.
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탄소나노튜브의 장점
탄소 원자 사이의 결합은 현재 반도체의 주종을 이루
고 있는 실리콘보다 훨씬 더 강함.
열전도도가 실리콘보다 훨씬 높아 열을 잘 방출하므
로 반도체소자가 작동하면서 뜨거워지는 문제가 쉽게
해결됨.
새로운 방면에 응용이 가능함. 실리콘에서는 어려웠
던 생물체와의 직접적인 정보교환(일종의 interface)
도 용이해질 것으로 기대됨.
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탄소나노튜브의 단점
고도의 기술을 요하므로 대량생산이 아직 요
원
트랜지스터를 만들기 위해 회로를 어떻게 깔
것인가도 문제 할 문제임.
반도체를 개량하는 것보다 전혀 새로운 응용
가능성을 탐구하는 것이 바람직함.
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탄소나노튜브 성장기술
아크 방전법(Arc discharge)
레이저 증착법(Laser Ablation)
화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition)
열분해법(Pyroysis of Hydrocarbon)
HIPCO(The High Pressure Carbon Monoxide Process)
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탄소나노튜브 성장기술
 아크 방전법(Arc
discharge)
 Iijima에 의해 처음소개
 촉매(주로 전이금속)을 사용하지 않
고, 탄소봉만 사용하면 MWNT가 생
성되며 전이금속 촉매를 탄소봉에 섞
어 사용하면 SWNT가 생성
 고품질 제조 가능하나, 수율이 낮고
재현성을 얻기 어려움
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탄소나노튜브 성장기술
 레이저 증착법(Laser
Ablation)
 1995년 Rice university, Smalley
그룹에서 시작
 단일벽 탄소나노튜브 합성에 장점
(고순도 성장이 가능)
 탄소나노튜브의 직경, 길이,
Chirality 등에 따라서 분류, 정제
공정이 필요함
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탄소나노튜브 성장기술
 화학기상증착법(Chemical Vapor
Deposition)
 탄소를 포함하고 있는 탄화수소기체와 기
판으로는 전이금속 이 사용됨
 재현성이 있고, 고 순도의 탄소나노튜브를
얻을 수 있음
 촉매 크기를 제어하여 직경을 쉽게 제어할
수 있음
 나노 전자소자용 합성에 가능성이 있는 방
법으로 주목
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탄소나노튜브 성장기술
 열분해법(Pyroysis of
Hydrocarbon)
 액상 또는 기상의 탄화수소를 전
이금속과 함께 가열된 반응관 안
으로 공 급하여, 탄화수소를 분해
시켜 기상상태에서 나노튜브를
합성하는 방법
 단일벽 CNT와 다중벽 CNT
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탄소나노튜브 성장기술
 HIPCO(The High Pressure Carbon Monoxide
Process)
 Rice University에서 99년도에
처음 개발
 일산화탄소 증기를 고(10~
100기압)에서 사용하고, 가스
상태의 촉매전구기체를 공급
 촉매 전구체의 분해 온도를 통
하여 단일벽 탄소나노튜브 를
성장
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탄소나노튜브 응용기술
 전자방출원
 CNT를 이용한 전자 방출원(Emitter) 및 FED(Field Emission Display)
응용에 관한 연구는 세계적으로 가장 활발히 연구되고 있는 대표적인 분야
 CNT를 전자방출 Emitter로 사용할 경우, CNT의 수직배향특성이 우수하고 대
면적 기판에서 합성이 가능하면 Emitter로 적용할 경우 전기적인 특성이나 생산
성에서 유리하게 됨
 Smalley 등에 의해 단일벽 나노튜브의 FED 전자방출능력이 확인된 이후,
DeHeer등에 의해 FED 설계가 시도
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 연구동향
 Chang 등은 탄소나노튜브-전도성 에폭시 복합체를 이용한 스크린 프린팅법
으로 다이오드타입 FED을 제작
 Saito등은 MWNT를 이용한 FED의 가능성을 보여줌
 삼성종합기술원에서는 스크린 프린팅법으로 9inch FED 의 영상 구현에 성공
 에너지분야
 2차 전지 전극 및 연료 전지에 응용할 경우에도 많은 기대효과를 얻을 수 있음
 수소흡착 합금 대신에 CNT를 사용하면 지금의 2차 전지에 비해서 무게
를 월등히 줄일 수 있고 충전효율을 크게 높일 수 있음
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 나노 전자소
자
 CNT는 직경 및 감긴 형태에 따라서 금속 또는 반도체의 전기적 성질을
조절할 수 있고, 직경 수십 nm인 튜브를 성장시킬 수 있으므로, 현재의 실리콘 소
자를 대체하여 Tera급 메모리 소자를 만들 수 있을 것으로 기대됨.
 CNT를 이용한 FET(Field-Effect Transistor) 응용기술은 소자의 처리속도뿐만
아니라 소형화에 크게 기여할 것으로 기대됨
 현재 집적회로 제작에는 이르지 못하고 있음.
 Mechatronics 및 기타
 주사탐침현미경, 초미세 나노저울, 나노핀셋, 나노 화확센서, 나노크기의 선형
베어링과 스프링 등의 재료로 유용함.
 높은 강도 및 탄성계수, 낮은 마찰계수 등 우수한 기계적 특성으로 고강도 구조용
소재분야에 개발활동이 활발함.
 그 밖에 관심이 증대되고 있는 분야는 약물 전달 시스템(DDS)에 응용, DNA 분리
등의 바이오 분야에 CNT를 응용하는 기술이 등장함
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CNT 복합소재 응용
 Color 구현 전자파 차폐 외
장재
Color 구현 전자파 차폐 외장재는 일반 비보강 플라스틱과 같은 기계적물성 및 성형성
을 유지. 두께에 따라 투명한 색상을 나타냄. 전자파 차폐 성능이 나타나는 미래형 소재.
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○ = 좋음
△ = 보통
× = 나쁨
CNT
ITO
나노금속
투명성
○
△
△
전기전도성
△
△
○
가격
△
△
×
색상
○
△
○
코팅력
○
×
×
휨강도
○
×
○
내환경성
○
○
○
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CNT 복합소재 응용
고강도 외장재
CNT를 이용한 고강도 경량 외장재는 외장재용 플라스틱보다
약 3배 이상의 강도를 나타내며 밀도는 일반 플라스틱 수준으
로 금속 및 기존의 플라스틱 외장재를 대체할 수 있는 성형성
및 높은 강도를 나타내는 소재.
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참고문헌
 심층정보분석 탄소나노튜브
저자:소대섭, 김기일, 김석진, 한종훈
한국과학기술정보연구원
 탄소나노튜브 기술동향 및 시장전망
저자:홍재민, 이창환
한국과학기술정보연구원
 탄소재료 원리와 응용
저자:박수진
대학출판사
 구글 www.google.co.kr
 네이버 www.naver.com
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결론
 CNT의 높은 전기전도성, 열전도성, 강한 기계적성질등 장점
을 바탕으로 앞으로 여러분야에서 활용될 것임
 현재는 개발초기로서 매우 높은 생산 가격이 들지만 카본 블
랙과 비교하여 유사한 생산원가로 향후에 생산이 가능할 전망
.
 CNT의 개발 가능성을 염두하여 앞으로 관심과 연구가 집중
될 것임
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감사합니
다.
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