나노기술 및 정책 정보

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­ 단일 벽(Single-walled) CNT는 독특한 구조와 우수한 성능을 보유하고 있어 나노전자부품, 에너지 저장장치, 구조와 기능 복합재료 등 여러 분야에서 응용 잠재력을 가지고 있다. 하지만 단일 벽 CNT 사이에 매우 강한 반데르발스 힘(Van der Waals forces)(～500eV/µm)과 대 직경 비율(>1000)이 존재하기 때문에 쉽게 튜브 빔을 형성하여 분산하기 어려워진다. 때문에 우수한 성능의 발휘와 실제 응용에 큰 영향을 끼치고 있는 상황이다.

­ 현재 용해액 속에서 CNT를 분산시키는 방법은 주로 '비(非) 공유 결합 기능화(Covalent functionalization)', '공유 결합 기능화'와 '용해시제 스트리핑(Stripping)' 등 방법이다. 공통성은 비교적 큰 기계력을 수요하고 있는데 예를 들면 고주파 초음파, 볼 밀링 등 방법으로 CNT의 분산을 추진하게 되며 고속 원심 분리 방법으로 큰 튜브 빔을 제거하게 된다. 규모가 큰 기계력은 CNT에 손상을 주게 되는데 고속 원심 분리를 통해 큰 튜브 빔을 분리하여 CNT에 손상을 끼치게 된다. 그 외, '비 공유 결합 기능화' 방법은 표면 활성시제 혹은 폴리머(Polymer) 등 CNT를 분산시키는데 보조 역할을 하는 첨가시제를 완벽히 제거하지 못하기 때문에 CNT 네트워크 전력, 열 수송 성능을 떨어뜨린다. '공유 결합 기능화' 방법은 CNT 기능화 위치점인 sp2 구조를 파괴하게 된다. 용해액 시제 스트리핑에서 사용한 용해액 시제는 일반적으로 독성이 강하고 비등점이 높고 분산 효율성이 낮은 문제점이 존재한다. 때문에 구조의 완벽성을 유지하고 첨가제가 없는 전제 조건 하에서 CNT가 일반적인 용해액 시제 속에서 효율적인 분산을 진행하도록 하는 것은 단일 벽 CNT 연구와 응용 분야에서 직면한 한 개 중요한 과제와 도전으로 된다.

­ 최근 중국 료우닝성(遼寧省) 선양시(瀋陽市)에 위치하여 있는 '중국과학원(中國科學院)' 산하 '선양 재료과학 국가(연합) 실험실(瀋阳材料科学国家(联合)实验室)' 소속 '선진 탄소 재료 연구부(先进炭材料研究部)'의 연구팀은 일종 '단일 벽 CNT가 물, 알코올, 아세톤 등 일상용 유기 용해액 시제 속에서 자체적으로 분산하는 방법(국가발병특허, 201110180590.7)'을 개발하였다. 동 방법을 이용하면 외부의 힘과 추가 분산 보조제가 필요 없이 단일 벽 CNT 구조의 완벽성을 유지한 상황에서 단일 벽 CNT로 하여금 단일 라인 혹은 소형 튜브 빔 형식으로 균일하게 용액 속에 분산되게끔 한다(图 1 참조).

­ '단일 벽 CNT가 물, 알코올, 아세톤 등 일상용 유기 용해액 시제 속에서 자체적으로 분산하는 방법'의 원리는 주로 개발한 단일 벽 CNT 생성물 속에 일반적으로 특정 형태의 탄소, CNT 알맹이 및 탄소 편(片)과 덩이 등 탄소질 부산물(CB)이 존재하지 않는 특징에 근거하여 탄소질 부산물이 CNT에 비해 더욱 낮은 결정체 특성과 더욱 높은 화학 반응 활성을 보유하도록 하여 반응 조건에 대한 통제를 통해 선택성 기능화를 실현하고 CNT의 구조로 하여금 영향을 받지 않게끔 한다.

­ 연구팀은 우선 발연황산(Oleum)의 삽입(Intercalation), 팽창 역할을 이용하여 탄소질 부산물을 노출되어 있도록 한 후, 질산 기능화 조건에 대한 통제를 통해 탄소질 부산물로 하여금 카르복실화(Carboxylated)(-COOH)를 하도록 하여 CNT 자체 구조의 완벽성을 유지한다. 표면 활성시제와 유사하게 이런 기능화 탄소질 부산물은 양친매성(Amphiphilic)을 보유하고 있기 때문에 CNT와 용해시제의 상호 역할을 개선하고 CNT의 분산을 추진한다.

­ 마지막으로 초강산(Superacid) 삽입, 용해액 팽창 후의 단일 벽 CNT 빔이 용해액 시제화와 기능화 탄소질 부산물이 분산을 도와주는 역할을 발휘하는 상황에서 상호 간의 반데르발스 힘(Van der Waals forces)으로 인해 매우 작은 튜브 빔 혹은 단일 라인으로 분산하는 문제를 극복하도록 하였으며 자체적으로 용해액 시제 속에 확산되어 안정적인 분산액을 형성하도록 한다(图 2 참조). 이런 방법을 이용하여 분산한 CNT는 박막 전자(Thin Film Electronics), 복합 재료 등 분야에서 폭 넓은 응용을 실현하게 될 것으로 전망된다.

­ 투명 전도(导电)성 박막은 터치 스크린, 평판(平板) 디스플레이, 태양광전지, 유기발광다이오드(Organic light-emitting diode) 등 전자부품의 중요한 구성 부품으로 된다. CNT 투명 전도성 박막은 높은 투명 전도성 및 플렉시블(Flexible)한 특징 때문에 자원이 부족하고 취성(Brittleness)을 가지고 있는 인듐 주석 산화물(Indium tin oxide)을 대체하여 차세대 투명 전도성 박막으로 폭 넓게 응용될 전망이다.

­ 연구팀은 단일 벽 CNT의 자체 분산액 속에서 첨가제가 필요 없고 단일 벽 CNT의 구조 완벽성 특징을 이용하여 광 투과율이 82%와 90%에 도달할 때 표면의 전기저항이 76과 132Ω·sq-1에 도달하는 단일 벽 CNT 투명 전도성 박막을 개발하였다(图 3 참조). 단일 벽 CNT가 투명 전도성 박막 분야에서의 응용을 위한 기반을 구축하는 것은 플렉시블(Flexible) 전자 기술 발전에 있어서 중요한 의미를 가지는 부분이다.

­ 이번 연구는 중국 '국가 자연과학 기금 위원회(NSFC)', '중국과학원(CAS)'와 '국가 과학기술부(MOST)'의 지원을 받아 추진되었으며 관련 연구개발 성과는 과학연구 논문으로 정리되어 Advanced Functional Materials (2011), 21: 2330-2337에 발표되었다고 한다.

图 1. 단일 벽 CNT의 자체 분산 및 분산 상태 표면 특징과 통계

a: 단일 벽 CNT가 물 속에서의 자체 분산 i) 0min，ii) 10min，iii) 1h，iv) 48h의 사진

b: a图 속의 iv) 원자력 현미경 사진

c: 단일 벽 CNT 빔 크기의 통계도로서 분산 액체 중의 단일 벽 CNT는 대부분 단일 라인 혹은 작은 튜브 빔 형식으로 존재함.

图 2. 자체 분산 단일 벽 CNT의 원리 및 과정

a: 단일 벽 CNT(SWCNT) 빔

b: 발연황산(Oleum)의 삽입(Intercalation), 팽창의 단일 벽 CNT 빔

c: 탄소질 부산물(CBs) 선택성 기능화 후의 자체 분산 단일 벽 CNT

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图 3. 자체 분산 단일 벽 CNT를 이용하여 개발한 투명 전도성 박막의 형태 및 성능

a: 박막 투사광 스펙트럼，(삽입 图)박막의 거시 사진

b: 박막의 스캐너 사진

c: 박막 투명 전도성능 관련 두께의 변화 곡선

d: 박막의 흡수광 스펙트럼

출처 : http://www.cas.cn/ky/kyjz/201106/t20110617_3288924.shtml