응용기술.

  

  • 탄소나노튜브의 응용기술

  아래 도표는 탄소나노튜브의 다양한 응용분야를 보여주고 있다. 탄소나노튜브는 고부가가치를 창출하는 첨단 전자정보 산업을 비롯한 다양한 산업분야에 이용될 수 있는 첨단 신소재로서 세계적으로 이목이 집중되어 있다.

 

  • Emitter 및 FED응용

  탄소나노튜브를 이용한 전자방출원(emitter) 및 FED(field emission display) 응용에 관한 연구는 최근에 전 세계적으로 가장 활발히 연구되고 있는 대표적인 분야중의 하나이다. 다음 세대의 첨단 전자정보화 시대에는 지금까지 표시소자로 이용되어 온 CRT(cathode ray tube)의 뒤를 이어서 LCD(liquid crystal display), LED(Light emitting diode), PDP(plasma display panel), FED(field emission display)등의 평판 디스플레이가 주역으로 등장할 것으로 예상된다. 그 중에서도 고화질, 고효율 및 저소비 전력을 장점으로 갖는 FED는 차세대 정보 디스플레이 소자로 크게 주목을 받고 있다. FED의 핵심기술은 emitter tip의 가공기술과 안정성에 바탕을 두고 있다. 실리콘 팁이나 몰리브덴 팁은 수명과 안정성에 큰 문제가 있으며, 전자방출 효율이 좋지 못하기 때문에 높은 전도성과 예리한 tip를 가진 탄소나노튜브를 emitter tip으로 사용하려는 연구가 현재 가장 크게 주목을 받고 있다. 그림 1은 탄소나노튜브를 이용한 FED의 개략도이다.

<그림1> 탄소나노튜브를 이용한 FED 개략도

  탄소나노튜브 전자방출원의 개발은 Smalley 등에 의해 SWNT의 FED 전자방출능력이 확인된 이후, De Heer 등에 의해 FED 설계가 시도되었다. Chang 등은 탄소나노튜브-전도성 에폭시 복합체를 이용한 스크린 프린팅법으로 다이오드 타입 FED을 제작하였고, pixel마다 pulse signal을 걸어줌으로써 on-off 조절하는 방식으로 화면에 글자를 표현하는데 성공하였으며 10-6 torr의 낮은 진공에서 안정된 전자방출이 가능함을 보여주었다 . Saito 등은 MWNT를 이용한 FED의 가능성을 보여주었고, 최근에 삼성종합기술원에서는 탄소나노튜브를 이용한 FED 제작연구를 착수하여 스크린 프린팅법으로 9 inch FED의 동영상 구현에 성공하는 개가를 올렸으며, 저전압에서 기존의 Spindt-type의 FED보다 높은 휘도(1800 cd/cm2 at 3.7 V/μm)를 보여주었다.

  

  • 2차전지전극 및 연료전지 응용

  탄소나노튜브를 2차전지 전극 및 연료 전지에 응용할 경우에도 많은 기대효과를 얻을 수 있다. 현재 사용되고 있는 수소흡착 합금 대신에 탄소나노튜브를 사용하면 지금의 2차전지에 비해서 무게를 월등히 줄일 수 있고 충전효율을 크게 높일 수 있다. 따라서 탄소나노튜브를 2차전지 전극으로 사용할 경우에는 자동차 배터리, 충전용 건전지, 노트북 컴퓨터 등의 소형 이동용 전자제품에 응용할 수 있는 가능성이 크다. 연료전지는 수소저장 능력을 높여야 하는데, 탄소나노튜브의 빈 공간을 이용하여 수소를 저장하면 저장용량이 증가된다. 탄소나노튜브는 무게가 가벼울 뿐만 아니라 튜브 내에 수소를 저장할 수 있는 공간이 많아서 단위 질량 당 전하저장 능력이 뛰어나다. 탄소나노튜브를 이용한 연료전지가 개발되면 대체에너지원으로 크게 각광을 받을 것으로 기대된다. Table 1은 현재까지 발표된 탄소나노튜브를 포함하는 탄소계 물질의 수소저장능력을 정리한 것이다.

<Table1 > 탄소나노튜브를 포함하는 탄소계 물질의 수소저장능력

  Rodrigueze등이 herringbone 구조의 탄소나노섬유를 이용하여 온도가 298 K, 압력이 11.35 MPa에서 최대 수소저장능력이 67.55 wt %임을 발표하였는데, 이 결과가 확인된다면 연료전지용 수소저장 cell로서의 응용이 엄청난 파장이 예상된다. SWNT의 경우 온도가 133 K, 압력이 0.040 MPa에서 최대 수소저장능력이 5-10 wt %임을 발표하였는데, 이를 실제로 응용하기 위해서는 온도와 압력조건이 매우 낮기 때문에 이를 극복하는 문제가 중요할 것으로 여겨진다. 참고로 미국 에너지성(DOE)의 목표는 전기자동차 500 km 주행 기준으로 6.5 wt %, 65 kg H2/m3 이다.

 

  • 극미세 전자 스위칭소자 응용

  탄소나노튜브는 직경 및 감긴 형태에 따라서 금속 또는 반도체의 전기적 성질을 조절할 수 있고, 직경 수십 nm 인 튜브를 성장시킬 수 있으므로, 현재의 실리콘 소자를 대체하여 Tera급의 메모리 소자를 만들 수 있을 것으로 예상되고 있다. 네덜란드의 Delft 대학의 Dekker등은 SWNT를 이용하여 상온에서 단분자 규모의 나노소자를 그림 2와 같이 제조하였다.

<그림 2> Indivisual SWNT를 사용한 나노디바이스 이미지

  이 소자에서 직경이 1 nm 정도의 반도체 특성을 가지는 탄소나노튜브가 SiO2로 증착된 Si 기판위에 400 nm 간격을 두고 분리되어 있는 두 개의 금속 전극을 연결하고 있음을 볼 수 있다. Dekker등은 전류-전압(I-Vbias) 특성이 gate 전압에 따라 다른 거동을 보이는 서로 다른 두 종류의 탄소나노튜브가 있음을 확인하였다. Gate 전압에 무관하고 I-Vbias 특성이 선형관계를 보이는 금속성의 탄소나노튜브와, Gate 전압에 크게 영향을 받으며 I-Vbias 특성이 비선형 관계를 보이는 반도체 특성의 탄소나노튜브로 분류하였다. Fig. 22는 반도체 특성을 보이는 CNT-based device의 I-Vbias 곡선을 보여주고 있으며, 스위칭 효율(switching efficiency)이 106 정도에 해당하는 on/off 비율을 나타낸다. 이러한 특성을 바탕으로 탄소나노튜브를 이용한 FET(Field-effect transistor) 응용기술은 소자의 처리속도 뿐만 아니라 소형화에 크게 기여할 것으로 기대된다. 최근 서울대학교 임지순 교수팀은 미국 Berkely 대학과 공동연구를 통하여 triod type의 10 nm 크기 탄소나노튜브 transistor를 개발했다고 보고한 바 있다. 이러한 기술은 현재의 현재 실용화된 256 MDRAM 반도체 소자를 1만분의 1로 줄일 수 있는 것으로 평가되고 있고, 앞으로 Terabit DRAM의 등장을 기대해 볼 수도 있다.

 

  • Mechatronics 및 고기능 복합체 응용

  탄소나노튜브의 우수한 전기전도도와 기계적 강도를 이용하면 SPM, STM 및 AFM의 팁으로 사용할 수 있다. 현재 AFM tip으로 이용되고 있는 Si 이나 SiN 재질의 tip 경우 시편의 미세결함을 부분적으로 관찰하지 못하는 단점이 있다. 탄소나노튜브를 tip를 사용하였을 경우, 이런 단점을 크게 해결하는 것으로 나타났다. 미세 크기의 탄소나노튜브를 초미세 시스템의 초미세 연결선, 초미세 파이프, 초미세 액체주입 장치, 탄소나노튜브의 가스 흡착성을 이용하는 가스센서와 탄소와 생체 조직과의 친화성을 이용한 의료용 장치의 부품으로서의 응용도 기대된다.
  특히 Lieber 등은 나노튜브 tip에 작용기를 부착시킴으로써 표면상의 특정 작용기를 감지하는 센서의 가능성을 제시하였다. 이들은 탄소나노튜브의 tip을 산화시켜 제거하고, carboxyl 기능기를 tip 에 부착시킴으로서 표면상의 다양한 분자로 화학적 패턴된 표면을 영상화하였고, 또한 생화학적 측면에서 ligand-receptor의 상호작용을 관찰하기 위하여 탄소나노튜브를 적용하였다.
  한편 탄소나노튜브의 물성을 이용한 고기능 복합소재의 응용도 산업전반에 크게 영향을 미칠 것으로 기대된다. 기존의 카본블랙이나 탄소섬유가 고분자지지체에 전도성 매체로 사용되어지고 있는 것처럼, 탄소나노튜브의 높은 전기전도성을 이용하여 optoelectronics 적용 복합체 연구가 최근 진행되고 있다. 현재까지 탄소나노튜브 제조비용이 매우 크기 때문에 복합체 연구에 큰 장애가 되는 것으로 여겨지고 있으나, 비용이 저렴한 탄소나노튜브 합성법이 최근 발표되고 있어 복합체 연구가 크게 주목을 받을 것으로 생각된다.