국내연구진 “ 탄소나노튜브는 원통아닌 나선형구조”

한국과학기술연구원(KIST)은 계면제어연구센터 이재갑 박사와 국제 연구팀이 단일벽탄소나노튜브(SWNT) 구조를 나노 크기의 그래핀이 담쟁이덩굴처럼 감아돌며 성장한 그래핀 나선체임을 9일 밝혔다.

차세대 신소재로 기대되는 탄소나노튜브(CNT)는 탄소원자가 육각형 모양을 이루는 그래핀의 원통구조로 알려져 있다. 전기전도도 및 강도 등 물성이 다른 소재보다 뛰어나 탄소나노튜브는 1991년 발견된 이후 관련 연구가 활발히 진행돼 왔고 복합재료 및 투명전극분야 등의 산업에서 응용이 기대되고 있다.

하지만 이번 연구결과에 따르면 나노튜브의 구조가 기존에 알려진 그라핀 원통 구조가 아닌 그라핀 리본이 나선형으로 휘감아진 구조이며 탄소나노튜브가 물리·기계적 성질을 재현하지 못하고 전기적 성질을 제어하지 못하는 현상도 이러한 나선형 구조 때문이다.

연구팀에 따르면 외관상 전체 묘양이 원통형 튜브인 SWNT는 나선형으로 성장했기 때문에 튜브 벽 길이를 따라 전체를 관통하는 '나선형 틈'을 관찰된다.

이에 연구팀은 고분해능전자현미경 및 원자현미경으로 나선형 틈에 의해 형성된 '마디조직'을 확인했다.

연구팀은 "이 구조에서 SWNT는 지그재그 구조를 갖는 그래핀이 성장한 것이기 때문에 도체의 특성을 보여야 하지만 SWNT의 반도체성이 보고됐다"며 이를 마디조직을 갖는 나선구조 때문에 생긴 결함과 격자변형이 전자의 이동을 왜곡시킨 현상으로 해석했다. 특히 이 나선형 구조에서는 하나의 튜브 내에서도 원자단위 조직이 위치에 따라 다를 수 있으므로 SWNT의 전기적 특성을 제어하는 것은 사실상 불가능하며 이는 SWNT 전자 소자로 응용될 수 없었음을 설명해 준다고 덧붙였다.

아울러 연구팀은 형성에너지를 근거로 SWNT의 구조를 해석했다. 결정구조를 가진 물질의 결정입자가 동일한 결정의 핵으로부터 차차 커지게 된다. 이를 결정성장이라고 하는데 인조다이아몬드, 인조루비, 인조수정, 텅스텐선 등의 결정체가 만들어지는 원리다.

결정성장의 기본원리에 따르면 에너지가 작은 방향으로 결정구조가 생성되게 되는데 연구팀이 계산한 결과, 나선형 구조성장의 변형에너지가 원통형의 4분의 1 이하였다.

이에 연구팀은 "SWNT는 원통형 성장보다 나선형 성장이 우선한다"며 담쟁이덩굴이 나선형으로 감아 돌며 성장하는 원리와 같다고 설명했다.

이번 연구는 KIST 이재갑 박사가 주도하고 한국기초과학지원연구원 김진규 박사, 영남대학교 민봉기 박사, KIST 이경일 박사, 한국표준과학연구원 김용일 박사, 한국탄소융합연구원 안계혁 박사 및 영국의 헤리엇와트대학교 존 필립 교수가 수행했으며 연구결과는 국제 학술지 '스몰' 온라인판 5월 16일자에 게재됐다.

[e-mail] 김혜민 기자