1. 개요
영어로는 carbon nanotube. 약어로 CNT. 간단히 Buckytube라고도 한다.[1]
1991년 일본의 전자 기업 NEC 부설 연구소의 이지마 스미오(飯島澄男) 박사가 최초로 발견했다.
2. 설명
기본적으로 탄소원자들이 육각형의 벌집모양으로 서로 연결된 고분자 탄소 동소체이다.현재까지 발견된 물질 중 가장 강력한 강도를 가지고 있는 물질이다. 그 강도는 철의 100 배 이상이며, 기술이 발전함에 따라 이 강도는 더 강해질 수 있다. 이러한 강도를 가지고 있는 물질이고 또한 그 발전가능성도 높기 때문에, 우주 엘리베이터 케이블의 유력한 후보로 다뤄지고 있다. 전도성 또한 좋은 편이기 때문에 이를 응용한 연구도 활발히 이루어지고 있다.
반도체 특성을 갖는 카이랄성을 가진 탄소나노튜브를 이용해 이미 2013년에 작은 스케일의 컴퓨터를 만드는 데에 성공했고, Nature에 게재되었다. 2017년에는 게이트 길이 5나노미터 크기의 탄소나노튜브 소재의 트랜지스터를 만들었고, 같은 스케일의 CMOS 소자보다 좋은 성능을 보였으며 이는 Science에 게재되었다.
탄소 나노튜브에도 그 종류가 여러가지 있는데 탄소 벽의 개수에 따라서 Single-walled, Double-walled, Multi-walled로 나누며, 탄소 층의 배열 방법등에 따라 Torus, Nanobud, Cup stacked, Extreme등으로 나뉜다. 종류에 따라 강도나 기타 특성들이 차이가 난다. 특히, 전기적 특성이 심하게 차이가 난다.
현재로서는 탄소나노튜브를 만들기 위해서 아스팔트를 가져다가 이리저리 가공하고 있다. 과정이 좀 복잡하고 아스팔트 값이 점점 오르고 있어서[2] 몇십년이 지나면 저렴하고 튼튼한 물질에서 저렴하다는 부분은 빼야 할지도. 하지만 구조가 그래핀 친척 정도이기 때문에 그래핀 테이프 추출법이 발전하면 간편하게 생산할 길이 열릴 것이라는 예측이 있다. 실험실 스케일에서는 CO에 고압을 걸어주는 방법, CVD, 아크 방전 등이 주로 이용된다. 실제로 카이스트 계면제어연구센터 이재갑 박사와 국제 공동 연구팀이 밝혀내길, '탄소나노튜브는 그래핀 원통 구조가 아닌 그래핀 리본이 나선 방향으로 휘감은 구조다'라고 한다.
Multi-walled CNT(MWCNT)는 엄청 저렴하다. 새우젓 통에 가득 담아서 팔 정도로. 물론 그렇다고 해서 진짜 엄청 싼것은 아니고 SWCNT에 비해서 많이 저렴하다는 거다. 아무리 싸도 100g에 20~40만원대의 가격을 형성하고 있다. 반면에 Single-walled CNT(SWCNT)는 합성 자체가 까다로운 편이라 MWCNT에 비해 수십배 이상 비싼 편이다. 그래서 상대적으로 초강력 섬유나 복합소재와 같이 많은 양이 필요한 곳에서는 MWCNT 가 주로 쓰인다. 예를 들면 방탄복에 기존 섬유 대신 1.5wt% 가량 첨가하는 초단순무식한 방법만으로도 15% 가량의 구조 강도(인장 강도 = 방어력) 향상을 이루어내고 NIJ II에 그치는 케블러 계열 방탄복의 방어력을 NIJ IIIA 수준까지 끌어올려준다. 방탄 플레이트 없이. 하지만 아래 언급된 발암 위험성 때문에 발목이 잡힌 상태이다. 피격된 플레이트에서 MWCNT가 에어로졸화하여 튀어나오면 착용자에게 무슨 일이 일어날 지 알 수 없기 때문이다. 전자 소자에서는 산란 때문에 SWCNT가 주로 쓰인다.
그래핀이나 나노 금속 재료(나노 와이어, 나노 큐브 등)가 발견되기 전까지는 그야말로 전자 소자 끝판왕의 분위기를 풍겼으나 탄소의 배열 방법에 따라 전도성이 천차만별로 바뀌고, 그에 따른 접촉 저항등이 너무 크다는 것이 밝혀지면서 이전과 같은 주목은 끌지 못하고 있다. 이런 것들을 해결하기 위해 반도체성 SWCNT와 금속성 SWCNT를 분리한다든지, 도핑을 한다든지 등의 여러 가지 시도를 했으나 여전히 접촉 저항은 존재하고, 도핑은 쉽게 풀린다는 한계가 남아있어 그래핀에 비해 갈 길이 멀다. 단적인 예로 물리적으로 1차원 전자계의 주요 특성중의 하나인 Tomonaga-Luttinger Liquid의 특성 중의 하나인 Power-law Density of state(에너지에 따른 상태밀도 함수가 페르미준위 기준으로 에너지에 따른 지수함수 관계를 나타내는 현상) 특성이 CNT와 전극 사이에 접합 상태에 따라 달라지는 Artifact 라고 보고된 일. 그리고 결정적으로 CNT는 지들끼리 뭉치는 번들링이라는 현상을 가지고 있어 계산값과는 저 멀리 떨어진 전기적-기계적 성질을 가지고 있는 경우가 대부분이다. 하지만 그럼에도 불구하고 유연하고[3] 빛을 내기도 하는 점 등에서 향후 전망이 주목되는 신소재다.
상기한 대로 전자 소자 쪽으로는 아무래도 그래핀에 비해 단점이 꽤 있기도 하고 그 외에도 이런저런 한계가 꽤 있는 탓에, 사실 탄소 나노튜브의 용도별 시장 점유율은 고분자 복합소재가 69%로 절반 이상을 차지하며, 전기전자소재로는 10% 정도밖에 차지하지 못하고 있다. 무한한 가능성을 지녔다고 평가받는 그래핀보다는 조금 범용성이 떨어지는 듯 하지만 그렇긴 해도 이쪽 역시 활용될 수 있는 분야가 꽤 넓을 것이라 생각된다.
구조재 이외에도 빛을 내는 성질과 반도체 성질을 나타나게 하는 방법이 발견, 스스로 열을 빨리 내보내는 특성 등을 이용하여 모니터 등을 만드는데 쓰이기도 한다. 이를 이용하면 투명하고, 전기 소모량이 적고, 과열의 위험이 적은 디스플레이를 만들 수 있다. 이외에는 SPM(주사 탑침 현미경)에서 정전기 유도를 통한 나노 집게의 성분으로 쓰이기도 한다. 이를 이용하면 기존의 SPM처럼 원자나 분자를 조종할 수 있을 뿐만 아니라 전기적 특성도 어느정도 측정할 수 있게 된다..
금호석유화학에 따르면, 탄소나노튜브의 탄성률(Elastic Modulus)는 1~2 TPa, 인장강도(Tensile Strength)는 30~180 GPa라고 한다.
3. 발암 위험
전자 소자로 기대되는 SWCNT(단일벽 탄소나노튜브)[4]는 발암성이 확인되지 않았으나, 가격이 저렴하고 구조체 용도로 각광받던 MWCNT(다중벽 탄소나노튜브)[5]에서 발암 위험성이 확인되어 문제가 되었다. 이 경우 초월적일 정도로 우수한 기계적 성질을 가지고도 구조재료로는 사용할 수 없게 되는 상황이 벌어질 수 있다. 그 경과는 아래와 같다.2008년부터 석면과 같은 기전으로 작용하는 발암물질일 가능성이 제기되었다. 이는 탄소나노튜브가 석면과 같이 인체에서 분해하지 못하는 미세 입자이기 때문으로, 체내에 박힌 입자를 백혈구가 인식할 경우 이를 제거하기 위해 모였다가 분해하지 못하고 죽어[6] 그 사체가 염증을 일으키고, 이에 주변 세포들이 끊임없이 죽고 다시 재생되는 과정에서 DNA에 돌연변이가 누적되어 암이 발병할 수 있다.
이후 몇몇 MWCNT 물질에 대해 시험동물에서 제한적인 발암물질의 증거를 발견했다.# 반면 2013년에는 반대로 쥐 실험에서 암을 유발하지 않았다는 논문이 발표되는 등# 논쟁이 있었기에, 2014년 국제암연구소(IARC)에서는 인체에서 암을 유발한다는 직접적인 증거는 찾지 못했다는 취지로 MWCNT[7]를 제한적 증거만 인정되는 발암물질 2B군으로 분류하였다.[8]
그러나 이후 독일연방산업안전보건청(BAuA)의 쥐 실험에서 장기 흡입 시 폐종양 발병률이 크게 증가하는 등 추가적인 실험이 이루어지며, 2020년 유럽화학물질청(EUCA)의 위해성평가위원회는 MWCNT를 시험동물에서 발암성의 증거가 충분히 있는 물질에 해당하는 발암성 구분 1B(Carc 1B)로 분류했다.#[9]
2021년에는 MWCNT에 백혈구 중 호중구는 반응하지 않으나 대식세포는 반응한다는 것이 밝혀졌다.# 석면의 사례에서 대식세포는 8㎛ 이상의 입자는 혼자 삼키지 못해 여럿이 달라붙지만, 이를 분해할 수 없으니 나눠 삼키지도 못하여 손상만 입고 죽어 염증 반응을 일으킨다.# 국제암연구소에서 문제삼은 MWCNT가 저 크기에 해당한다. 그리고 2023년에는 기어이 대식세포의 인간 면역 수용체 중 MWCNT에 반응하여 염증을 일으키는 종류가 발견되었다.#
4. 여담
- 도전 골든벨 2006년 예산고, 2017년 안양고 편에서 이 답이 골든벨 문제로 출제되었다.
- 2022년 1월, 한국 재료연구원이 "자동차 차체를 탄소나노튜브로 만들고, 차체 자체에 전력을 저장 가능하다"는 내용을 사이언스지에 냈다. 논문원문, 해설기사 다만 수소가 2000~2500 Wh/kg, 110~140 Wh/L (부피 불리), 배터리가 300~500 Wh/kg, 700~1000 Wh/L (무게 불리)임에 반해, 탄소나노튜브는 5.8 Wh/kg, 7.54 Wh/L (둘 다 불리)라서 매우 적은 역할만 가능할 것으로 보인다.
[1] 풀러렌도 마찬가지로 buckyball이라고 칭하기도.[2] 탄소나노튜브 연구가 활발해지면서 아스팔트의 수요가 증가했다고 한다.[3] 기존 가장 가늘면서 강하다고 알려진 탄소 섬유가 1%만 휘어져도 끊어지는 반면, 탄소 나노튜브는 15% 정도는 휘어져도 견딜 수 있다.[4] 한 겹 짜리(○) 긴 원통 모양[5] 여러 겹 짜리(◎) 짧은 원통 모양[6] 삼키려다가 찔려서 터져 죽는 등[7] 그 중 직경 30㎚ 이상~3㎛ 미만, 튜브 길이 5㎛ 이상인 것[8] 단일벽 탄소나노튜브의 경우에는 위와 같은 기전이 확인되지 않아 발암물질로 분류되지 않았다.[9] 인체에서 발암성의 증거가 충분히 있는 경우에는 1A로 분류하는데, 위해성평가위원회 의장인 팀 바우머는 인체 데이터가 없었기 때문이라며 인체 데이터가 존재한다면 발암성 구분 1A가 될 가능성이 있는 석면만큼이나 위험한 물질이라고 밝혔다.[10] 2019년 9월 12일자로 MIT 연구진이 개발한 리뎀션 오브 배니티(Redemption of Vanity)가 99.995%의 빛을 흡수하여 반타블랙보다 더 검은 물질이 되었다. 반사율로 따지면 무려 7배나 개선된 셈. #