탄소나노튜브, 원통구조 아닌 나선형 구조 규명

이재갑 박사

아주경제 이한선 기자 = 국제공동연구팀이 나노튜브 구조가 그래핀 원통 구조가 아닌 그래핀 리본이 나선형으로 휘감아진 구조라는 것을 밝혀냈다.

한국과학기술연구원(KIST)은 계면제어연구센터 이재갑 박사와 국제 연구팀이 단일벽탄소나노튜브(SWNT) 구조에 대해 나노크기 그래핀 리본이 나선형으로 성장한 그래핀 나선체라는 것을 알아냈다고 9일 밝혔다.

연구팀은 탄소나노튜브가 물리·기계적 성질을 재현하지 못하고 전기적 성질을 제어하지 못하는 현상도 이러한 나선형 구조 때문인 것으로 설명했다.

연구는 KIST 이재갑 박사가 주도하고 한국기초과학지원연구원 김진규 박사, 영남대학교 민봉기 박사, KIST 이경일 박사, 한국표준과학연구원 김용일 박사, 한국탄소융합연구원 안계혁 박사 및 존 필립 영국 헤리엇-와트 대학교 교수가 참여했다.

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관련 연구는 국제 학술지 스몰지 온라인판에 지난달 16일 게재됐다.

이 연구그룹은 다중벽탄소나노튜브(MWNT)도 튜브가 아니라 AA 적층 그래핀이 나선형으로 자란 흑연나선체임을 어플라이드 피식 레터즈에 2013년 발표한 바 있다.

연구팀은 SWNT가 외관상 전체 모양은 원통형 튜브처럼 보일지라도 지그재그 그래핀이 나선형으로 자란 것으로 튜브 벽에 길이를 따라 전체를 관통하는 나선형 틈이 존재한다고 설명했다.

연구팀은 고분해능전자현미경 및 원자현미경으로 나선형 틈에 의해 형성된 마디조직을 확인했다.

지그재그 그래핀은 도체성질을 보여 SWNT는 도체의 특성을 보여야 하는 가운데 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 20년간 지속돼 온 연구에도 불구하고 SWNT가 전자 소자로서 응용될 수 없었던 이유를 설명해 준다.

SWNT의 구조를 해석하기 위해 연구팀은 형성에너지에 주목했다.

기존 원통형 성장과 나선형 성장의 변형에너지를 계산한 결과 나선형 구조 성장의 변형에너지가 4분의 1 이하로 작았다.

이는 원통형 성장보다 나선형 성장이 우선되는 것을 보여주는데 SWNT도 일반 결정성장의 기본원리에 따라 생성됨을 보여주는 것이기도 하다.

연구팀은 SWNT의 나선형 성장을 담쟁이덩굴이 나선형으로 감아 돌며 성장하는 것과 동일한 원리로 설명했다.

단일벽 나노튜브 기존 구조모델 및 이의 성장기구