탄소나노튜브는 왜 튜브 형태로 자랄까? … ‘UNIST, 펑 딩 교수팀’ 30년 만에 규명

촉매 입자 표면에서 ‘탄소 캡 솟아오름 현상’ 이론 규명…JACS 논문 게재

배터리 첨가제로 주목받는 CNT 합성 촉매 개발 도움 기대

펑딩 교수 연구팀( 펑 딩 교수:우측 안쪽).

[아시아경제 영남취재본부 이동국 기자] ‘탄소나노튜브’는 촉매 표면에서 솟아올라 자란다. 흡사 중력을 거스르는 것 같다.

UNIST 연구진이 이 같은 성장의 비밀을 처음으로 밝혔다. 탄소나노튜브가 발견된 지 30년 만이다.

UNIST 신소재공학과 펑 딩(Feng Ding) 교수팀은 탄소나노튜브 합성의 필수 단계인 ‘캡 솟아오름’ 현상을 설명하는 새로운 이론을 미국 화학회지(JAC)에 발표했다.

연구팀은 “지난 30년간 간과됐던 현상을 분자 시뮬레이션과 밀도 범함수 이론분석을 통해 밝혀낼 수 있었다”며 “탄소나노튜브를 합성하는 촉매 구조 설계 연구에 도움이 될 것”이라고 기대했다.

탄소나노튜브는 전도성·강도·연성 등이 뛰어나 1991년에 발견된 이래로 그래핀(탄소 원자가 벌집 모양으로 연결된 종이처럼 얇은 물질)과 더불어 가장 많이 연구된 탄소 물질 중 하나다.

메모리 반도체 소재인 실리콘을 대체할 물질로도 주목받고 있는 물질이다.

이 물질은 그래핀을 돌돌 말아 만든 것처럼 생겼지만 실제로는 촉매 표면에서 수직 방향으로 성장해 속이 빈 원통 형태로 합성되는 특성이 있다.

탄소나노튜브의 합성 과정.

‘캡 솟아오름’은 촉매 귀퉁이에 탄소가 모여 생긴 캡 구조가 돔 형태로 솟아오르는 현상이다.

합성 반응 초기에 생긴다. 만약 이 캡 솟아오름 현상이 없다면 탄소 원자와 촉매 입자가 구 형태 촉매 표면을 완전히 둘러싸는 형태로 반응이 끝나고 만다.

딩 교수팀의 연구에 따르면 캡 모서리와 촉매 표면 간의 계면 에너지 감소가 이러한 현상의 원인이다. 에너지 감소가 촉매와 탄소 원자 사이에 작용하는 인력을 상쇄해 캡 구조가 들려 올라가는 현상이 자발적으로 일어나는 원리다.

시뮬레이션 결과 캡이 들려 올라갈수록, 즉 캡의 벽면과 촉매 표면이 이루는 각도가 90도에 가까워질수록 계면 에너지가 줄어듦을 확인했다.

이처럼 계면 에너지는 캡 모서리와 촉매 입자가 이루는 접촉각에 영향을 받기 때문에 접촉각 크기로 캡 구조 솟아오름 여부를 예측할 수 있다는 것이 연구팀의 설명이다.

캡 구조 솟아오름 현상이 나타나기 위한 조건.

예측 결과에 따르면 접촉각이 45도에서 90도 캡 구조가 잘 들려 올라가고 탄소나노튜브 합성 반응이 잘 일어나는데, 이는 실제 기존의 실험 결과와도 일치한다.

이번 연구는 화학 분야 권위학회지인 미국 화학회지(Journal of the American Chemical Society)에 지난 17일자로 공개됐다.

IBS 다차원 탄소 재료연구단 리핑 딩(LiPing Ding) 연구원, 벤 맥린 연구원(Ben McLean), 중국 장수대학교 쯔웨이 쉬(Ziwei Xu) 연구원이 공동 제1 저자로 참여했다. 연구수행은 IBS(기초과학연구원) 등의 지원을 받아 이뤄졌다.

영남취재본부 이동국 기자 marisdy@asiae.co.kr