탄소 나노튜브: 초강력·초경량 소재의 개척자

강철보다 100배 강하면서 알루미늄보다 가벼운 것은? 탄소 나노튜브는 발견된 가장 강한 소재 중 하나지만, 엔지니어들은 이제야 그 잠재력을 온전히 풀기 시작했습니다.

탄소 나노튜브는 탄소의 동소체로, 탄소가 취할 수 있는 여러 원자 배열 중 하나라는 뜻입니다. 자연에서 순수 탄소는 흑연 형태(부드럽고 부스러지는 고체)로, 또는 다이아몬드 형태(투명하고 자연계 가장 단단한 물질)로 발견됩니다.

탄소 나노튜브는 다이아몬드보다 흑연과 더 가깝습니다. 흑연은 매우 부드럽지만, 한 원자 두께의 시트로 배열된 탄소 원자 층들로 구성됩니다. 이 개별 시트를 그래핀이라 하며, 탄소 나노튜브는 그래핀 시트를 튜브 모양으로 말아 만든 것입니다.

그래핀 자체도 놀라운 소재입니다. 탄소 나노튜브처럼 놀랍도록 강합니다. 2010년 노벨 물리학상은 최초로 그래핀 시트를 분리한 팀에게 돌아갔으며, 그래핀은 이론상 약 1밀리그램 무게의 시트가 고양이를 지탱할 수 있을 만큼 강합니다.

이 가상의 '고양이 해먹'은 한 원자 두께로 사람 눈에는 완전히 보이지 않습니다. 탄소 나노튜브는 그래핀의 한 층 또는 여러 층이 튜브 형태로 배열돼 있으며 역시 극도로 강합니다.

노벨 아카데미 문서에 따르면, 1제곱미터 그래핀 해먹이 "두 나무 사이에 묶여 있을 때 약 4킬로그램 무게까지 버틸 수 있다. 따라서 고양이가 끊어지지 않고 누울 수 있는 거의 보이지 않는 해먹을 그래핀으로 만들 수 있다.

현재 탄소 나노튜브는 주로 폴리머 복합소재의 특성 개선에 쓰입니다. 탄소 나노튜브는 다양한 유익한 특성을 제공합니다:

• 매우 높은 강도
• 높은 강도-중량비
• 높은 전기 전도성
• 높은 열 전도성

탄소 나노튜브 특성

다른 보강 소재와 비교할 때, 탄소 나노튜브는 섬유 강화 폴리머 복합소재에 쓰이는 다른 섬유들보다 상당히 강합니다. 최근 연구는 기능성 그레이디언트 폴리머 개발에도 집중돼 있는데, 탄소 나노튜브를 폴리머 구조 내에 전략적으로 분포시켜 맞춤 기계적 특성을 부여합니다.

소재	강도 (데이터 출처 링크 참조)
다중벽 탄소 나노튜브	11 - 63 GPa
탄소 섬유	3.5 - 5.5 GPa
유리 섬유	3.5 - 4.6 GPa
케블라	3.0 GPa
강철	0.23 - 0.73 GPa

탄소 나노튜브는 우수한 전기 및 열 전도성도 제공해, 전자 패키징 응용이나 폴리머·접착제 첨가제로 전도성을 부여하는 데 유용합니다. 전통적으로 금속이 폴리머와 세라믹의 전도성이 상대적으로 나빠 전자 분야의 주 전기·열 전도체였습니다.

하지만 탄소 나노튜브를 첨가하면 여러 폴리머를 전도성 있게 만들 수 있습니다, 이는 더 빠르고 저렴한 전자 제조의 새 가능성을 엽니다.

소재	전기 전도도 (데이터 출처 링크 참조)	열 전도도 (데이터 출처 링크 참조)
단일벽 탄소 나노튜브	102 - 106 S/cm	6000 W/mK
다중벽 탄소 나노튜브	103 - 105 S/cm	2000 W/mK
다이아몬드	10-2 - 10-15 S/cm	900 - 2320 W/mK
흑연	3.3 - 4000 S/cm	2.2-298 W/mK
구리	4.3•109- 5.9•109 S/cm	305 - 385 W/mK

탄소 나노튜브 강화 복합소재

그래핀과 탄소 나노튜브가 이토록 엄청나게 강하다면, 왜 모든 것에 쓰지 않는가? 그래핀이나 탄소 나노튜브에 버금가는 강도의 부품은 다른 어떤 소재와 비교해 사실상 파괴 불가능할 것입니다.

탄소 나노튜브와 그래핀의 놀라운 강점을 활용하는 어려움을 이해하려면, 흑연이 부드러운 이유를 볼 수 있습니다. 개별 그래핀 시트는 극도로 강하지만, 그래핀 시트 사이의 결합이 약해 흑연은 부드럽습니다.

개별 탄소 나노튜브는 발견된 가장 강한 소재 중 하나지만, 서로 연결돼야 그 강도가 유용해집니다.

탄소 나노튜브는 그래핀 시트를 튜브 모양으로 말아 만든 것입니다.

이게 탄소 나노튜브가 다른 소재, 보통 폴리머에 첨가제로 쓰이는 이유입니다. 탄소 나노튜브가 강도를 더해주고 그 안에 분산된 '매트릭스' 소재가 모든 걸 잡아줍니다. 하지만 의문이 남습니다: 왜 이 작은 탄소 나노튜브가 벌크 소재보다 훨씬 강한가? 작기 때문에 강합니다.

초강력 나노소재

탄소 나노튜브 강도의 열쇠는 매우 작은 크기 덕분에 탄소의 이론적 강도에 근접할 수 있다는 사실에 있습니다. 소재의 이론적 강도는 결함 없는 완벽한 결정을 깨는 데 필요한 응력입니다.

예컨대 순수 철의 이론적 강도는 31.8 GPa지만, 벌크 강철 강도는 270-740 MPa 범위로 이론적 강도의 2.5% 미만입니다. 미세한 결함인 전위 때문에 벌크 강철이 가상의 결함 없는 결정보다 낮은 응력에서 소성 변형과 파손에 취약하기 때문입니다.

정렬된 탄소 나노튜브 SEM 이미지. © Fraunhofer IKTS

벌크 소재는 이론적 강도에 결코 근접하지 못합니다 왜냐하면 극도로 신중한 가공에도 더 큰 규모의 소재는 필연적으로 미세구조 결함을 갖게 돼 강도를 낮추기 때문입니다. 이 때문에 완전 결함 없는 대형 그래핀 시트(2010년 노벨상 시상식에서 언급된 한 원자 두께의 그래핀 고양이 해먹 같은)를 인간이 제작하는 건 사실상 불가능합니다.

그렇게 큰 시트에는 분명 결함이 있을 것이고, 고양이가 해먹을 찢을 것입니다. 따라서 대부분 벌크 소재 가공은 결함을 완전히 없애기보다 미세구조 결함의 영향을 제한하는 데 초점을 맞춥니다. 현재 기술로 대량의 완전 결함 없는 소재를 만드는 건 사실상 불가능합니다.

머리카락 너비의 10,000분의 1 크기인 전기화학적으로 성장한 TiO2 나노튜브. 유기 폴리머로 채워져 현재 태양전지보다 저렴할 잠재력이 있는 '성장' 태양전지 새 기술.

소재 부피가 매우 작으면 결함 없는 소재 합성이 훨씬 더 실행 가능합니다. 간단히 말해, 매우 적은 양의 소재는 통계적으로 큰 것보다 결함을 가질 확률이 낮습니다, 그리고 적은 부피의 소재는 결함을 적게 유발하는 화학적 성장 공정으로 만들기 쉽습니다.

따라서 대량의 결함 없는 나노튜브 제작은 가능하지만, 대형 단일 결함 없는 소재 제작은 불가능합니다. 탄소 나노튜브는 초소형이라 결함이 없어 초강력입니다.

실 형태가 되도록 방사되는 탄소 나노튜브.

소재 강도는 시편을 끊는 데 필요한 힘을 시편 단면적으로 나누어 측정한다는 점도 명심해야 합니다. 이는 MPa(메가파스칼) 같은 단위를 내며, 1 N/mm²과 동일합니다. 따라서 강도 측정은 시편 내 소재 양을 자동 보상해, 1cm 직경 강철 막대와 1µm 직경 탄소 나노튜브의 강도를 비교할 수 있습니다.

작은 나노튜브는 완전 결함 자유 상태일 확률이 훨씬 높습니다, 그래서 극도로 강합니다. 하지만 강철 막대와 크기가 같은 부품을 만들 만큼 나노튜브를 묶으려면, 섬유 강화 복합소재를 만들어야 합니다.

작은 크기와 그에 따른 결함 부재가 탄소 나노튜브를 초강력 나노소재로 만듭니다, 개별 다중벽 탄소 나노튜브의 보고된 강도는 11-63 GPa로 탄소 이론적 강도 156.0 GPa에 가깝습니다. 다른 소재들도 초소형, 결함 없는 '위스커' 형태로 합성될 수 있습니다. 철도 나노 위스커 형태에서 13 GPa 강도가 보고돼, 벌크 강철보다 철의 이론적 강도에 훨씬 가까운 값입니다.

다른 많은 소재들이 실험실 조건에서 나노튜브, 나노와이어, 위스커 형태로 합성됐지만, 탄소 나노튜브는 굿펠로우 같은 공급업체에서 상업적 양으로 구할 수 있는 몇 안 되는 초강력 나노소재 중 하나입니다.

결론

탄소 나노튜브는 극도로 작은 크기 덕분에 결함이 없고 탄소의 이론적 강도에 근접할 수 있어 발견된 가장 강한 소재 중 하나입니다. 이 때문에 탄소 나노튜브는 주로 다른 소재의 특성 향상에 쓰입니다, 예컨대 폴리머 매트릭스에 첨가해 강도, 전기 전도성, 열 전도성을 개선할 때.

탄소 나노튜브 강도는 섬유 강화 복합소재에 흔히 쓰이는 다른 섬유들보다 차원이 높습니다. 탄소 나노튜브의 우수한 전기·열 전도성도 전통적으로 금속을 쓰던 전자 응용에서 전도성 폴리머 제작을 가능케 합니다.