ITO 표면에서 Carbon Nanotube의 저온 성장

김창근, 정광덕*, 한성환*, 이재의

아주대 화학공학과, KIST 촉매화학 연구실*

Growing Carbon Nanotube on the ITO surface at low temperature

Chang-Gun Kim, Kwang-Duck Jung*, Sung-Hwan Han*, Jae-Eui Yie

Dept. of Chemical Engineering, Ajou Univ.

Catalysis Lab.,Korea Institute of Science and Technology*□□□

서론

탄소 나노 튜브는 흑연 기저면에서 탄소의 sp2결합은 다른 어떤 결합보다 단단한 결합이지만, 면간 사이의 결합은 매우 약한 결합을 갖고 있다. 이러한 흑연구조의 이방성은 전기 및 열 전도도에서 나타나게 된다. 즉, 면 방향으로는 우수한 전기전도도와 열 전도도를 갖는 반면, 면의 수직 방향으로는 나쁜 전도 특성을 갖는다. 이러한 면상의 우수한 특성만을 이용하고자 했던 것이 탄소섬유였지만, 기존에 제작되었던 탄소섬유는 그 구조의 불완전성으로, 계산된 이론값을 갖지 못했다. 1991년 결함이 거의 없는 완벽한 구조의 CNT가 발견되었을 때, 초강도 및 초전도성 탄소섬유로의 이용은 당연한 결과였다.

sp2결합만으로 이루어진Carbon nanotube의 기계적 특성은 간단히 말해 가벼우면서도 단단하고 부러지지 않는 재료라 할 수 있다. 실험적으로 100∼150 GPa의 압축강도를 보였으며, 영률은 수 TPa의 값을 나타내었다. 전기 및 열 전도도를 실험적으로 측정하려는 시도가 이루어졌고, 매우 우수한 전도 특성이 확인되었다. 이외에도 매우 큰 종횡비의 구조적 특성, 탄소계 물질의 특성인 화학적 안정성, 생체친화성을 가지는 신 물질로서 주목되고, 나노 전자 디바이스, STM의 탐침, 에너지 저장 재료, 강화 복합 재료 등의 많은 응용분야가 기대되고 있다.

이론

탄소 나노 재료(tube or fiber)는 수 nm의 직경을 가지고 성장한 탄소 물질을 의미하며 안쪽이 비어 있는 튜브, 대나무 ,생선 비늘 또는 카본 나노 튜브로 형성된 대면적 sheet 형태 등 여러 가지 구조를 가지는 나노 크기의 탄소 물질을 지칭한다. 위와 같은 탄소 나노 물질은 여러 가지 방법으로 제조가 가능하고 아주 미세한 섬유나 튜브형태의 탄소 재료로서 독특한 구조를 가지므로 특별한 물리학적 성질을 지니는 것으로 알려져 있다. 그 중에서도 탄소 나노 튜브는 원통형 구조를 가지고 있으며 single-walled 또는 multi-walled 탄소 나노 튜브로 분류되고 있으며 제조 방법에 따라 생성되는 탄소 튜브의 형태가 결정된다. 화학 증착법은 전이 금속 혹은 그 합금을 촉매로 사용하여 탄화수소를 분해되어 탄소가 촉매로 침전 및 화학 증착 반응을 통해 성장하는 방식이나, 탄소 나노 튜브가 성장되는 driving force의 원인에 대해서는 그 이론이 완전히 정립되지 않았다. 물론 금속 촉매의 종류 및 제조 방법에 따라 다양한 형태의 나노 튜브가 형성 되는데, 생성되는 각각의 platelet 사이의 거리는 동일한 특징이 있다. 탄소 나노 튜브의 길이는 5-100□정도이고 직경은 5-100□범위에 있다.

현재까지의 나노 튜브를 합성하기 위해 사용 되어온 아크 방전 법이나 플라즈마 법은 탄소 나노 튜브의 대량 생산이 어렵고 가격도 비싸서 많은 양의 탄소 물질을 필요로 하는 응용 분야에 적용하기는 어렵다. 그래서 현재는 탄화수소 가스들을  필요로 하는 응용분야에 적용하기는 어렵다. 그래서 현재는 탄화수소 가스들을 (CO, C2H2, C3H8, CH4, C2H6O) 금속 촉매를 통과 시켜 나노 튜브를 성장 시켜 나노 튜브를 성장시키는 CVD(Chemical Vapor deposition)법이 이용되고 있으며 이 방법의 장점은 비교적 저온에서 탄소 나노 물질을 성장시킬 수 있으며 대규모 생산에 적합하다는 것이다. CVD법을 이용하여 Fe, Ni, Co 등과 같은 금속 촉매 입자를 적절한 기질(substrate)위에 담지 시키고 금속 입자, 탄화수소 가스의 분압 , 반응 온도와 반응 시간 등과 같은 조건을 조절하여 탄소 나노 튜브를 합성 할 수 있다. CVD법을 이용한 탄소 나노 튜브의 합성은 저온 성장 법과 고온 성장으로 나뉘며, 저온 합성은 그 온도가 600□ 정도이며 탄소 나노 튜브 성장의 시발점이라 할 수 있는 적절한 크기의 금속 입자의 생성이 어렵지만 성장 속도가 빨라 튜브가 곧고 그 길이도 상대적으로 길다. 나노 탄소 재료를 저온에서 성장시킬 경우 촉매 및 탄화수소의 선택 범위가 넓어 제조가 용이하며 낮은 온도로 인한 에너지 비용이 저렴하여 범용 탄소 섬유보다 낮은 가격으로 제조가 가능하다.

실험

탄화 수소를 열분해 할 때 탄소 성장에 활성을 나타내는 Co, Ni, Fe 등과 같은 금속을 ITO가 코팅된 glass에 담지하여 촉매로 사용하였다. 함침법(impregnation)을 이용하여 0.1M, 0.5M Nickel nitrate solution을 만들어서 촉매에 올렸으며 120□ 에서 하룻밤 동안 건조 시켰고 공기 중에서 330□로 3시간동안 calcination하였다. 이렇게 담지된 ITO glass를 400□에서 C2H2-H2를 흘려 주면서 반응 시켰다. 또 spin 코팅을 이용하여 0.1M, 0.5M Nickel nitrate solution으로 ITO glass에 Nickel coating하여 같은 방법으로 Carbon nanotube를 성장 시켰다. CV, SEM, Raman, XRD, EDX 등으로 분석하였다.

결과 및 토론

ITO glass 위에서 성장한 Carbon nanotube들은 SEM, Raman, CV 등으로 분석 되어졌다. 반응 시간이 길어질수록 carbon 양이 증가하였고 ITO의 저항이 커졌다. Raman 분석 결과 나노튜브 peak가 분명하게 보임(그림1)을 알 수 있었다. 또한 SEM에서도 Carbon Nanotube를 볼 수 있었는데 이전 실험에서 알루미나 bead위에서 성장 하였을 때보다  훨씬 순도 높은 nanotube mophology를 볼 수 있었다.

참고 문헌

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