전공 동아리 발표

1. 전공 동아리 발표 탄소나노튜브 및 나노복합소재 응용 고분자공학전공최준홍

2. 목 차 • CNT 정의 • CNT 구조 및 종류 • CNT 물성 • CNT 장점과 단점 • CNT 합성 • CNT 응용기술 • CNT 복합소재 응용

3. 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

4. 탄소나노튜브의 구조 흑연면이 나노 크기의 직경으로 둥글게 말린 상태이며이 흑연 면이 말리는 각도 및 구조에 따라서 금속 또는 반도체의 특성을 보임.

5. 탄소나노튜브 종류 Single-walled Carbon Nanotube Carbon Nanotube

6. 탄소나노튜브 종류 Multi-walled Carbon Nanotube

7. 탄소나노튜브 종류 Double-walled Carbon Nanotube

8. 탄소나노튜브의 물성 전기적 성질 열적 성질 기계적 성질 SPM(ScanningprobingMicroscopy)을이용하여 탄소나노섬유를 수은 액체상에 담지하여 전도성을 측정함. 그 결과 CNT가 양자거동을 보이면서 획기적인 전도성을 가진것을 확인 상온에서의 열전도도가 6,600W/mK인 아주 높은 값을 확인, Phonon의 평균 자유경로가 아주 큰 것에 기인하는 것을 이론적으로 입증 SWNT는 강철보다 10~100배 견고하고 물리적인 충격에 강함. 나노튜브의 팁에 힘을 가하면 손상 없이 구부러지며, 힘을 제거하면 원래상태로 돌아가는 성질이있음

9. 탄소나노튜브의 장점 • 이미 도핑이 된 효과를 지니고 있으므로 응용을 위해 따로 도핑할 필요가 없음. • 엄지 손톱만한 면적에 Encyclopedia Britannica 전질의 100배 가까운 정보를 기억시킬 수 있음.

10. 탄소나노튜브의 장점 • 탄소 원자 사이의 결합은 현재 반도체의 주종을 이루고 있는 실리콘보다 훨씬 더 강함. • 열전도도가 실리콘보다 훨씬 높아 열을 잘 방출하므로 반도체소자가 작동하면서 뜨거워지는 문제가 쉽게 해결됨. • 새로운 방면에 응용이 가능함. 실리콘에서는 어려웠던 생물체와의 직접적인 정보교환(일종의 interface)도 용이해질 것으로 기대됨.

11. 탄소나노튜브의 단점 • 고도의 기술을 요하므로 대량생산이 아직 요원 • 트랜지스터를 만들기 위해 회로를 어떻게 깔 것인가도 문제 할 문제임. • 반도체를 개량하는 것보다 전혀 새로운 응용 가능성을 탐구하는 것이 바람직함.

12. 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)

13. 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

14. 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

15. 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

16. 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

17. 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

18. 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

19. 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

20. 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. • 나노 전자소자 • 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

21. CNT 복합소재 응용 • Color 구현 전자파 차폐 외장재 Color 구현 전자파 차폐 외장재는 일반 비보강 플라스틱과 같은 기계적물성 및 성형성을 유지. 두께에 따라 투명한 색상을 나타냄. 전자파 차폐 성능이 나타나는 미래형 소재.

22. ○ = 좋음 △ = 보통 × = 나쁨

23. 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.

24. 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

25. 결 론 • CNT의 높은 전기전도성, 열전도성, 강한 기계적성질등 장점을 바탕으로 앞으로 여러분야에서 활용될 것임 • 현재는 개발초기로서 매우 높은 생산 가격이 들지만 카본 블랙과 비교하여 유사한 생산원가로 향후에 생산이 가능할 전망. • CNT의 개발 가능성을 염두하여 앞으로 관심과 연구가 집중될 것임

26. 감사합니다.