탄소 나노튜브(CNT)는 나노 지름의 원통형 벌집 모양의 탄소 동소체입니다.
CNT는 기계적 강도, 탄성, 경량, 전기 및 열 전도성 등 다양한 특성을 가지고 있어 가장 유망한 소재입니다.
전자, 의료, 에너지 저장, 센서 등 다양한 산업 분야에서 CNT를 많이 활용하고 있습니다. 수요가 증가함에 따라 CNT의 제조 규모를 확대해야 한다는 압박이 지속적으로 제기되고 있습니다.
이러한 CNT의 대규모 생산은 응용 분야를 방해하는 주요 과제가 되었습니다.
도전 과제 해결 :
일반적으로 과학자들은 개별적으로 성장하는 것보다 CNT 숲을 키우는 것을 선호합니다. CNT 포레스트는 수직으로 정렬된 CNT 어레이로, 자체적으로 조립됩니다.
이는 일반적으로 기판에 고정된 촉매가 있는 상태에서 화학 기상 증착 공정을 통해 수행되며, 나중에 고순도 물질을 얻기 위해 CNT 포레스트에서 분리됩니다.
이 프로세스는 많은 장점을 제공하지만, 유일하게 직면한 주요 문제는 길이입니다.
지금까지 연구진은 산화알루미늄(Al2O3) 지지체에 철(Fe)과 같은 촉매를 사용하여 CNT 숲을 최대 2cm까지 성장시킬 수 있었습니다(CNT의 길이는 그 특성에 있어 중요한 역할을 하므로 이 측면을 고려할 필요가 있습니다).
이는 공급을 제한하고 재료의 비용을 증가시킴으로써 산업적 가치에 영향을 미칩니다.
게임 판도를 완전히 바꾼 혁신적인 발견이 있었습니다.
최근 일본의 한 과학자 팀이 새로운 접근 방식을 통해 CNT 숲의 길이를 최대 14cm까지 기록했습니다. 이 연구는 최근 Carbon에 게재되었습니다.
와세다 대학의 히사시 스기메 조교수와 그의 연구팀은 이전에 사용했던 촉매(Fe-Al2Ox)의 점진적인 구조 변화로 인해 CNT가 성장을 멈춘다는 사실을 알아냈습니다.
기본적으로 활성 촉매의 수에 따라 달라지는 CNT의 밀도는 자립 구조를 유지하기에는 충분하지 않으며, 숲의 성장은 종료됩니다.
따라서 사용되는 촉매는 구조적, 화학적으로 안정된 상태를 유지해야 합니다.
그들의 접근 방식은 이러한 불안정성을 억제하기 위해 기술을 변경하는 것이었습니다.
연구팀은 n형 실리콘 기판으로 코팅된 기존 촉매에 가돌리늄(Gd) 층을 추가하여 이를 달성했습니다.
가돌리늄 층은 촉매의 열화를 방지하고 결과적으로 CNT 숲이 5cm 더 자랄 수 있도록 도와주었습니다.
또한 원하는 길이를 얻기 위해 연구진은 촉매를 저온 가스 화학 기상 증착(CVD) 챔버라는 챔버에 보관했습니다.
촉매는 최대 750°C까지 온도를 유지하고 상온에서 소량의 Fe 및 Al 증기를 공급하여 전처리했습니다.
이는 최대 26시간 동안 촉매 구조를 유지하는 데 도움이 되었으며, 결과적으로 CNT 숲의 성장을 촉진했습니다.
면밀한 분석 끝에 연구진은 CNT 숲의 길이를 14cm까지 기록하는 데 성공했습니다.
이들의 업적은 개발도상국 산업에 새로운 지평을 열었으며, 이러한 괄목할 만한 발전으로 CNT의 응용 분야가 더욱 넓어졌습니다.
이는 미래 연구를 위한 나노기술과 나노과학에 대한 접근 방식을 바꿀 수 있습니다.
발표된 연구 논문 전문을 읽으려면 아래 DOI를 참조하세요.
참조 :
스기메 히사시, 사토 토시히로, 나카가와 레이, 하야시 타츠히로, 이노우에 요쿠, 노다 스구루. 철과 알루미늄 증기 공급원의 현장 보충을 통한 초장 탄소 나노튜브 숲. 탄소, 2020; https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.10.066
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