지난 23일 일본 도쿄 빅사이트에서 막을 내린 '나노테크 2007'에서 가장 관심을 모은 나노기술은 꿈의 첨단소재라 불리는 탄소나노튜브(CNT)였다. 우리나라를 비롯해 각국이 고순도 탄소나노튜브 제조기술과 탄소나노튜브를 응용한 시제품을 선보이며 기술을 뽐냈다. 본지는 나노기술 중 가장 상용화 기술 단계에 접근한 탄소나노튜브란 무엇이며, 특성 및 응용분야 등을 3차례에 걸쳐 게재한다. [편집자 註]

△탄소나노튜브란=탄소 6개로 이뤄진 육각형들이 서로 연결되어 관 모양을 이루고 있는 신소재를 말한다. 즉 탄소원자가 3개씩 결합해 벌집모양을 한 평면형 탄소구조가 말려서 마치 죽부인과 같은 튜브관 모양이 됐다고 해서 붙여진 이름이다.

2억 개를 한 다발로 묶어야 겨우 머리카락 굵기가 될 정도로 두께가 가늘다. 이처럼 지름은 작은 데 비해 길이는 직경의 1만 배에 이를 만큼 상대적으로 길다. 또 모양을 바꾸면 반도체가 됐다가 전기가 잘 통하는 도체가 되기도 한다. 실제 머리카락 굵기의 10만분의 1 크기라 마치 먼지처럼 보이며, 이 검은 점 하나하나가 탄소나노튜브다.

△탄소나노튜브는 누가 발견했나?=1991년 일본전기회사(NEC) 부설 연구소의 스미오 리지마 박사가 전기방전법을 활용해 음극에 놓은 탄소막대에서 만들어진 탄소덩이를 투과전자현미경(TEM)으로 분석하는 과정에서 우연히 발견했다.

그 후 세계 각국이 뛰어들어 탄소나노튜브의 성질 연구는 물론 양산 기술 개발에 박차를 가해 왔다. 대표적 양산기술로 ▲전기방전식 ▲레이저 증착식 ▲열화학 증착식 ▲플라즈마 화학 증착식 등이 있다. 전기방전식은 진공 통 안에서 음극과 양극에 흑연봉을 일정 거리를 띠워 배치시킨 후 전기를 흘리는 양극 쪽과 통 겉면에 탄소나노튜브가 형성되는 방식이다.

레어저 증착식은 전기방전식과 비슷하지만 전기 대신 레이저를 사용한다. 즉 레이저를 목표로 하는 흑연봉에 쏴 기화(氣化)시킴으로 탄소나노튜브를 생성시키는 방법이다. 열화학 기상증착식은 600-1000도의 노(爐) 안에 탄소 성분 가스를 흘려주면서 탄소나노튜브를 자연생성 시키는 기법이다. 플라즈마 화학기상증착식은 열화학 기상증착식과 유사한 방법이지만 합성 온도를 낮추기 위해 고주파 전원으로 플라즈마(plasma)를 발생시켜 반응가스를 분해, 탄소나노튜브를 만들어내는 방식이다.

△어떤 성질을 갖고 있는가= 탄소나노튜브는 열전도율이 구리의 1천 배 정도이고 강도는 강철의 100배에 달해 거의 끊어지지 않는다. 탄소섬유는 1%만 변형돼도 끊어지지만 이 소재는 15%가 변형되어도 견딜 수 있다. 따라서 현존하는 물질 중 거의 결함이 없는 완벽한 신소재로 알려져 있다. 탄소나노튜브는 고운 흑색가루 형태 그대로 사용할 수 없고, 안정액에 넣어 불순물을 제거한 후 액체 상태로 활용한다.

CNT는 강도가 뛰어나 사람 근육보다 100배 강한 인조근육이나 첨단 방탄조끼를 제조할 수 있다. 또 전자파를 막을 수 있는 성질이 있다. 즉 긴 탄소나노튜브는 전자파를 흡수하는 피뢰침 역할을 한다. 미국은 이 성질을 이용해 전투기를 비롯해 군함, 탱크, 장갑차에 가벼운 탄소나노튜브 페인트를 칠해 적의 레이더를 피하는 연구도 진행되고 있다.

나토튜브 자체는 도체이지만 이를 밧줄 모양으로 꼬면 반도체가 된다. 따라서 기존 실리콘을 이용한 기술로는 16기가 바이트 이상의 고집적 메모리칩을 만드는 것이 불가능했으나 이 탄소소재를 이용하면 기가 수준보다 1천 배나 집적도를 향상시킨 테라급 반도체 개발도 가능하다.

특히 반도체를 만들 때 소량의 불순물을 섞어 전기가 통하게 만드는 ‘도핑’ 처리 기술은 매우 어렵다. 그런데 이 나노튜브를 붙여 밧줄을 만들면 탄소나노튜브 간 상호작용에 의해 전기적 성질이 바뀌면서 저절로 도핑이 된 것과 같은 효과를 가져온다.

△탄소나노튜브 제조업체는=주요 CNT 제조사로 미국의 하이페리온, 프랑스의 알케마, 독일의 바이엘, 벨기에의 나노씰, 일본의 미쯔이 물산, 중국의 썬나노 사 등 해외업체와 국내 카본나노텍, (주)CNT 등 30여 개 업체를 꼽을 수 있다. 이들은 각기 탄소(C)를 합성하는 독특한 대량생산기술로 kg당 100-200달러 가격에 탄소나노튜브를 공급하고 있다. 그러나 CNT의 적용범위가 확대되면 조만간 100달러 이하로 떨어질 전망이다.

탄소나노튜브는 생산과정 중에 아모포스 CNT나 금속촉매와 같은 불순물이 생긴다. 이 같은 불순물이 많으면 가는 실들이 얽힌 모양을 한 탄소나노튜브 조직의 표면이 매끄럽지 못한 채 울퉁불퉁하고 또한 꽈배기처럼 꼬여 원하는 열전도도나 전기전도도 성질을 낼 수 없게 된다. 따라서 얼마나 불순물 없이 질 높은 탄소나노튜브를 만드느냐가 업체의 성패를 좌우할 것으로 보인다.