꿈의 소재 탄소나노튜브, 나선형 구조임을 밝히다 

- KIST, 고분해능 현미경, 에너지 계산 등 과학적 분석으로 단일벽 탄소나노튜브

  나선형 구조임을 밝혀

- 기존 탄소나노튜브 성질 및 한계 설명

차세대 신소재로 기대되는 탄소나노튜브(Carbon Nanotube, CNT)는 탄소원자가 육각형 모양을 이루는 그라핀(Graphene)의 원통구조로 알려져 있다. 전기전도도 및 강도 등 물성이 다른 소재보다 뛰어나 탄소나노튜브는 1991년 발견된 이후 관련 연구가 활발히 진행되어 왔고 복합재료 및 투명전극분야 등의 산업에서 응용이 기대되고 있다. 국제 공동 연구팀이 나노튜브의 구조가 기존에 알려진 그라핀 원통 구조가 아닌 그라핀 리본이 나선형으로 휘감아진 구조임을 밝혔다. 연구팀은 탄소나노튜브가 물리·기계적 성질을 재현하지 못하고, 전기적 성질을 제어하지 못하는 현상도 이러한 나선형 구조 때문인 것으로 설명했다.

한국과학기술연구원(원장 이병권, KIST) 계면제어연구센터 이재갑 박사와 국제 연구팀은 단일벽탄소나노튜브(Single-Wall Carbon Nanotube, SWNT) 구조를 나노크기의 그라핀 리본(Graphene Ribbon)이 나선형으로 성장한 그라핀 나선체(Graphene Helix)임을 밝혔다. 관련 연구는 국제 학술지 Small지 온라인판에 ‘Structure of Single-Wall Carbon Nanotubes : A Graphene Helix’라는 제목으로 5월 16일 게재되었다.

연구팀은 SWNT가 지그재그(Zigzag)구조를 갖는 그라핀 나노리본이 나선형으로 성장한 그라핀 나선체임을 밝혔다(그림 1). 이 경우, 외관상 전체 모양은 원통형 튜브처럼 보일지라도 지그재그 그라핀이 나선형으로 자란 것이기에 튜브 벽에 길이를 따라 전체를 관통하는 나선형 틈(Dislocation)이 존재한다(그림 2). 연구팀은 고분해능전자현미경 및 원자현미경으로 나선형 틈에 의해 형성된 “마디(Nodal)조직”을 확인했다(그림 3).

이 구조에서 SWNT의 물성은 지그재그 그라핀 리본으로 해석되어야 한다. 지그재그 그라핀은 도체성질을 보이므로 SWNT는 도체의 특성을 보여야 한다. 도체성과 함께 보고된 SWNT의 반도체성은 마디조직을 갖는 나선구조 때문에 생긴 결함 및 격자변형이 전자의 이동을 왜곡시켰기 때문으로 해석된다. 이 나선형 구조에서는 하나의 튜브 내에서도 원자단위 조직이 위치에 따라 다를 수 있으므로 SWNT의 전기적 특성을 제어하는 것은 사실상 불가능하다. 이는 지난 20여 년간 지속되어 온 연구에도 불구하고 SWNT가 전자 소자로서 응용될 수 없었음을 설명해 준다.

한편 SWNT의 구조를 해석하기 위해 연구팀은 형성에너지에 주목했다. 기존 원통형 성장과 나선형 성장의 변형에너지(Strain Energy)를 계산한 결과 나선형 구조 성장의 변형에너지가 1/4배 이하로 작았다. 이는 원통형 성장보다 나선형 성장이 우선됨을 보여주는데 SWNT도 일반 결정성장의 기본원리(에너지가 작은 방향으로 성장)에 따라 생성됨을 보여주는 것이기도 하다. 연구팀은 SWNT의 나선형 성장을 담쟁이덩굴이 나선형으로 감아 돌며 성장하는 것과 동일한 원리로 설명하였다.

관련 연구는 KIST 이재갑 박사가 주도하고 한국기초과학지원연구원 김진규 박사, 영남대학교 민봉기 박사, KIST 이경일 박사, 한국표준과학연구원 김용일 박사, 한국탄소융합연구원 안계혁 박사 및 영국의 Heriot-Watt대학교 John Phillip 교수가 참여하여 진행되었다.

본 연구그룹은 다중벽탄소나노튜브(MWNT)도 튜브가 아니라 AA’ 적층 그라핀이 나선형으로 자란 흑연나선체임을 Applied Physic Letters(J.-K. Lee et al., Structure of multi-wall carbon nanotubes: AA’ stacked graphene helices, Appl. Phys. Lett. 2013, 102, 161911)에 발표한 바 있다.

 ○ 연구진

        

 

 

○ 그림설명

<그림 1> 밝혀진 SWNT의 성장기구

<그림 2> 연구팀이 밝힌 나선형 구조 모형 : 튜브모양으로 보이는 그라핀 나선체

 

 

 

<그림 3> 그라핀의 구조를 전자현미경으로 분석한 사진-균열을 볼 수 있다.