탄소나노튜브의 발전, 전기적 특성과 실생활 활용

단층 탄소 원자의 롤업 시트로 구성된 원통형 분자로, 직경이 1 나노미터(nm) 미만인 단일벽(SWCNT) 또는 직경이 100nm 이상인 여러 개의 동심원으로 연결된 다중벽(MWCNT)인 탄소나노튜브의 역사와 전기적 특성, 그리고 실생활에서는 어떻게 활용될 수 있는지 이 글에서 알아보도록 하겠습니다.

 

탄소나노튜브의 발전

탄소 소재는 발전된 시기에 따라 고전탄소, 나노탄소, 신탄소의 세 가지로 분류할 수 있습니다. 크래킹 탄소는 주로 양극, 카본 블랙, 무엇보다 이전에 생성 시스템이 생성된 제정 탄소로 사용되는 가공된 흑연 사각형을 포함합니다. 1960년대에 이러한 훌륭한 탄소와 완전히 동일하지 않은 탄소 재료가 설계되었습니다. 혼합 연기 증언 양식을 통해 전달되는 열분해 탄소; 높은 경도 및 가스 불투과성을 갖는 유리상 탄소; 등압 압착에 의해 생성된 고두께 등방성 탄소; 층간 삽입은 다양한 기능, 예를 들어 높은 전기 전도도와 혼합됩니다. 탄소와 같은 보석을 직선형 탄소 시트로 사용합니다. 이러한 최근에 진화된 탄소 소재는 새로운 탄소로 그룹화됩니다. 1990년대 이후, 닫힌 껍질 구조를 가진 다양한 풀러렌, 나노미터 거리를 가로지르는 탄소 나노튜브, 몇 분자 두께의 그래핀 조각이 나노기술에서 두드러졌습니다. 이들은 나노카본으로 분류됩니다. 6개의 전자를 가진 원자 번호가 6인 기본 화학 물질인 탄소는 s 및 p 오비탈을 차지하는 경향이 있습니다. sp/sp 2 또는 sp 3 수단과 같은 세 가지 다른 형태를 통해 혼성화를 거칠 수 있습니다. 풀러렌, 그래핀, 탄소 나노튜브와 같은 콤팩트한 구조의 탄소 재료의 최근 발명은 이 신흥 분야에 대한 신속한 문의를 예상했습니다. 탄소나노튜브의 다양한 물성은 대부분 기재(그래핀)에서 유래되었다. 이러한 그래핀은 규칙적인 sp 2에서 탄소 원자의 조밀한 패킹 배열을 포함합니다. 벌집형 기반의 원자 규모 구조에 결합된 패턴이며 특히 이 패턴은 다른 sp 2 재료의 기본 구조로 가장 적합합니다. 이론적인 판단에 기초하여, 이 CNT는 소용돌이 모양의 그래핀 두꺼운 시트로 제조된 실린더 형태에서 명백히 구별되며, 단일 또는 다중 우물로 그 자체를 묘사할 수 있습니다. 단일 우물 나노튜브는 1993년에 조사된 단일 벽 탄소 튜브로 알려진 반면 다중 벽 나노튜브는 1991년 자체에서 발견되었습니다.

 

전기적 특성

개별 탄소나노튜브는 일종의 양자 와이어입니다. 이것들은 길지만 여러 원자 거리 범위의 직경을 가진 매우 좁은 전도체이며 추가로 속이 비어 있습니다. 전자 파동 벡터는 나노튜브의 둘레를 따라 양자화되고 전하 캐리어는 축 방향을 따라서만 자유롭게 이동할 수 있습니다. 다른 양자 와이어와 유사하게, CNT는 탄도 전자 수송, 즉 산란 없이 보여줄 수 있으며, 이는 실험적으로 확인되었습니다. 이론적 계산에 따르면 CNT의 전자는 실온에서 산란을 경험하지 않고 마이크로미터 범위 거리를 이동해야 합니다. 실온에서 실험적으로 측정된 최대 평균 자유 경로는 1μm입니다. 비교를 위해 실온에서 구리의 전자는 평균 자유 경로가 40nm에 불과합니다. 양자 구속은 항상 컨덕턴스 양자 G 0 = 2e 2 / h ( e는 전자 전하를 나타내고 h는 플랑크 상수임)의 배수인 유한 컨덕턴스를 초래하며 양자 채널의 수에 따라 증가합니다. 이는 완전한 탄도 수송에도 적용되며, 이는 0이 아닌 저항이 양자 와이어 내의 산란이 아니라 연결과 관련되어 있음을 의미합니다. 개별 SWNT는 G = 4e 2 / h ≈ 0.15 mS의 최대 컨덕턴스를 가질 수 있습니다. 이 값과 실험적으로 측정된 탄도 수송 길이 척도에 기초하여 실온에서 개별 SWNT의 저항률이 기존의 전도성 금속을 초과하는 10 -6 Ω cm -1 정도로 낮을 수 있음을 계산할 수 있습니다. MWNT에 대해 보고된 가장 낮은 저항률은 5 × 10 -6 Ω cm -1 21에 달했으며 이는 아마도 MWNT가 일반적인 SWNT보다 직경이 더 크다는 사실 때문에 SWNT보다 낮았습니다.

 

실생활 활용

탄소나노튜브가 실생활에서 활용되는 예로 정수기를 꼽을 수 있습니다. 탄소나노튜브의 크기, 표면적 및 흡착 특성으로 인해 물에서 독성 화학 물질, 용해된 염 및 생물학적 오염 물질을 여과하는 데 이상적인 멤브레인이 됩니다. 미국 회사인 Seldon Technologies는 이를 위해 탄소나노튜브 여과 시스템인 "나노메시 정화 기술"을 사용하여 미네랄워터 시스템을 개발했습니다. 이 회사는 자사 시스템이 화학 물질, 열 또는 전력을 사용하지 않고 식수를 제공한다고 합니다. 이는 가장 필요한 개발도상국에서 사용하는 데 필수적입니다. 필터는 병원균과 바이러스, 박테리아, 낭포 및 포자와 같은 오염 물질을 제거하여 USEPA 식수 기준을 충족하거나 초과하는 물을 제공합니다. 가정, 사무실, 학교, 진료소 및 기타 상업 환경에서 사용하기에 적합하다고 합니다. 탄소 나노튜브의 거대한 표면적은 다른 물질보다 더 많은 전류와 더 나은 전기적 및 기계적 안정성을 제공하기 위해 배터리 및 커패시터의 전극으로 사용될 때 이용되고 있습니다. 이 분야의 세계적인 연구 노력은 Showa Denko(Battery, 일본) 및 FastCAP(Supercaps, 미국)과 같은 회사에서 상업 활동의 개발을 촉진했습니다. 탄소나노튜브의 특성은 다양한 종류의 구조(예: 스포츠 장비, 방탄복, 차량 등)를 향상하는 데 이상적입니다. 탄소나노튜브는 예를 들어 강성과 재료 감쇠를 증가시키기 위해 복합 재료 내에 네트워크를 생성합니다. 스포츠 제조업체는 테니스 및 배드민턴 라켓과 자전거 프레임에 사용합니다.