Special 4차 산업혁명을 주도할 핵심 세라믹 미래기술은? (2)

카본나노튜브 복합체와 필터 응용

박 중 규 _ 한서대학교 항공신소재화학공학과 석박사과정

김 익 진 _ 한서대학교 항공신소재화학공학과 교수

1. 서론

최근 나노 물질 연구는 선진 기술에 새로운 시대를 열어, 다양한 엔지니어링 분야에 혁신과 함께 엄청 난 기회를 제공하였다. 새로운 나노 기술의 개발을 위해 지금까지 합성된 물질 중 탄소나노튜브(Car- bon nanotubes, CNTs)는 가장 매력적인 물질이었 으며, 1990년 초에 스미오 이이지마(Sumio Iijima) 가 처음으로 발견한 후로 20년 동안 집중적인 연구 대상이 되었다. 개별의 CNTs는 > 1 TPa의 높은 탄 성 계수와 최대 60 GPa의 인장강도를 보유하였으 며, 이는 강철보다 약 10에서 100배가량 높은 강도 이다. CNTs는 진공에서 최대 약 2800 ℃까지, 공기 중에서 최대 약 700 ℃까지 열적인 안정성을 보인 다. CNTs는 특히 우수한 열전도도(단일 벽, Single- walled CNTs의 경우, 6,600 Wm-1·K-1 및 다중벽, Multi-walled CNTs의 경우 3,000 Wm-1·K-1)를 나 타낸다. 또한, 우수한 전기전도성은 헬리시티(Helic- ity)와 직경에 따라 금속 또는 반도체 특성을 나타 내기도 한다. 이러한 특성들로 인하여 CNTs 강화 나노 복합체는 광범위한 응용 분야로 미래의 기술 혁명을 일으킬 차세대 소재로 기대되고 있다.

현재 CNTs를 공학용 나노 복합체의 보강제로써 전극, 태양 전지와 전자 수집장치, 평판 전자장 에 미터, 나노 다공성 필터, 열재료 등에 응용되고 있 다. 또한 인조 근육이나 우주 엘리베이터와 같은 강 한 기계적 강도를 필요로 하는 케이블로써 연구되 고 있다. 이와 더불어 최근 형태학적, 물리 화학적 특 성을 이용한 CNTs 복합재료에 대한 연구는 나노의 학, 에너지 저장 및 여과 응용과 같은 첨단 산업에서 활발한 보고가 이어지고 있다. CNTs의 높은 효율 은 넓은 표면적 및 큰 종횡비(aspect ratio)같은 물리 적 특성으로 인해 개별 CNTs 사이에 강력한 반 데 르 발스 힘(Van der Waals forces)의 형성을 유도하 는 구조로 설명되고 있다. 특히 조명 받고 있는 특성 인 CNTs의 미생물 세포 독성이 여과 성능에 부분 적으로 영향을 주기 때문에, 세균 및 바이러스를 포 함한 오염 물질을 가두는 특성을 이용하여 필름 또 는 기타 벌크 구조체에 박혀있는 CNTs의 미세 기 공과 세라믹 기질의 메조 기공 사이의 고밀도 네트워크로 공기 또는 액상을 물리적 흡착제로 사용하 여, 오염물질을 효과적으로 제거하는 필터 시스템의 개발이 진행되고 있어, 기체 흡착, 여과 및 정화 시스 템 등에 활용된다. 특히, 이러한 원리를 이용한 탄화 수소 분리와 오염된 공기를 여과하는 필터 등에 응 용된다.

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<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2019년 7월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>