CNT Materials & Properties

20세기말에 나노미터의 극미세 영역에서 새로운 물리현상과 향상된 물질특성을 나타내는 연구결과가 보고되면서부터 나노기술(Nano technology)이라는 새로운 분야가 생성 되었다. 나노기술은 나노스케일, 즉 수 nm 에서 100nm 범위 내에서 나타나는 새로운 물리적 화학적 현상 및 득성을 연구하고 이용하는 기술로서 1981년 스위스 IBM 연구소에서 원자와 원자의 결합상태를 볼 수 있는 주사형 터널링 현미경(STM)을 개발 하면서부터 본격적으로 등장하였다.
본 연구실에서는 많은 나노 물질들 중 탄소로 이루어진 Nanotube에 관한 연구가 활발하게 진행중이다.

Carbon Nanotube (CNT)

탄소나노튜브(Carbon Nanotube)는 1991년 일본의 전기회사(NEC) 부설 연구소의 이지마 스미오 박사가 전기방전법을 사용하여 흑연의 음극상에 형성시킨 탄소덩어리를 분석하는 과정에서 발견되었다. 형태는 탄소6개로 이루어진 육각형 모양이 서로 연결되어 관 모양을 이루고 있다. 관의 지름이 수~수십 나노미터다. 전기 전도도는 구리와 비슷하고, 열전도율은 자연계에서 가장 뛰어난 다이아몬드와 같으며, 강도는 철강보다 100배나 뛰어나다. 탄소섬유는 1%만 변형시켜도 끊어지는 반면 탄소나노튜브는 15%가 변형되어도 견딜 수 있다. 이러한 탄소나노튜브의 물리적 전기적 특성을 이용하여 많은 응용 분야에 적용 할 수 있다.

탄소나노튜브의 합성

탄소나노튜브를 여러가지 소재에 응용하기 위해서 가장 기본적으로 수행해야 하는 연구는 이용하기 용이한 탄소나노튜브를 효율적으로 생산하는 합성방법이다. 합성방법으로는 전기방전법(arc-discharge), 촉매화학 기상증착법(Catalyst Chemical Vapor Deposition), 열화학 기상증착법(Thermal Chemical Vapor Deposition), 레이저 증착법(Laser Va-porization), 플라즈마 화학기상증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)등이 있다. 각각의 방법들이 장단점을 가지고 있지만 근본적으로 탄소 소스를 금속촉매에 공급하여 탄소나노튜브를 합성한다.
탄소나노튜브는 그 구조에 따라 탄소 벽이 하나인 Single-walled Carbon Nanotube(SWCNT), 탄소 벽이 두개인 Double-walled Carbon Nanotube(DWCNT), 탄소 벽이 세개이상인 Multi-walled Carbon Nanotube(MWCNT)로 구분된다. 각각의 합성 방법마다 세부 조건의 조절을 통해 자신이 원하는 탄소나노튜브를 합성해야 한다.

1. 탄소나노튜브의 Growth Mechanism 에 대한 연구

탄소나노튜브를 합성하는 근본적인 원리는 탄소 소스 공급이다. 탄소나노튜브의 Growth Mechanism은

Schematic diagrams of the base growth model. (APL77(2000)3397)

탄소를 함유한 반응가스로부터 분해되어 나온 탄소입자들이 촉매금속입자 내부로 흡수되어 ‘carbon-metal solid-state solution’을 형성하게 된다. 지속적인 탄소입자의 공급으로 인하여 ‘supersaturation point’에 도달하면 촉매금속입자 표면에서부터 탄소가 석출되기 시작하면서 탄소나노튜브로 성장하게 된다.

2. 합성 조건에 따른 탄소나노 튜브의 종류

합성 조건을 조절함으로써 다양한 종류의 탄소나노튜브를 합성 할 수 있는데, 크게는 SWCNT, DWCNT, MWCNT으로 구분하고 각각의 지름의 크기나 길이를 조절한다.
다음의 각각의 탄소나노튜브의 벽의 개수를 볼 수 있는 TEM(Transmission electron microscope) 이미지이다.

Single-walled carbon nanotube

Double-walled carbon nanotube

Thin Multi-walled carbon nanotube

Multi-walled carbon nanotube

각각의 탄소나노튜브의 벽의 갯수가 다양한 형태로 합성 됨을 알 수 있다. 합성 할 때의 조건을 조절하여 응용 분야에 적합한 탄소나노튜브를 합성하는 것이 연구 목적이다.

6. Synthesis of Carbon Nanotubes By Arc Discharge

7. Selective Growth of Carbon Nanotubes by Thermal CVD

8. Carbon Nanotubes Growth by Thermal CVD

9. Vertically Aligned SWCNT by Thermal CVD

10. Chirality Control of SWCNT

11. Characterization of Carbon Nanotubes

12. Characterization of Carbon Nanotubes