▲ 탄소나노튜브 합성과정 / 원료가 촉매 표면에 분해돼 촉매 표면에 탄소 캡 구조(검은색)가 생긴다. 캡 구조 솟아오름 현상이 일어나면 탄소나노튜브로 성장한다. ‘캡 구조 솟아오름 현상’이 없으면 탄소원자가 구 형태 촉매 표면을 둘러싸게 된다.(자료제공=UNIST)   © 특허뉴스

탄소나노튜브는 촉매 표면에서 솟아올라 자란다. 흡사 중력을 거스르는 것 같다. UNIST 연구진이 이 같은 성장의 비밀을 처음으로 밝혔다. 탄소나노튜브가 발견된 지 30년 만이다.

UNIST는 신소재공학과 펑 딩(Feng Ding) 교수팀(IBS 다차원탄소재료 연구단 그룹리더)이 탄소나노튜브 합성의 필수 단계인 ‘캡 솟아오름’ 현상을 설명하는 새로운 이론을 미국화학회지(JACS)에 발표했다고 30일 밝혔다.

연구팀은 “지난 30년간 간과됐던 현상을 분자 시뮬레이션과 밀도범함수 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.

‘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. 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 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)에 지난 17일자로 공개됐다. IBS 다차원탄소재료연구단 리핑 딩(LiPing Ding) 연구원, 벤 맥린 연구원(Ben McLean), 중국 장수대학교 쯔웨이 쉬(Ziwei Xu) 연구원이 공동 제1 저자로 참여했다.

논문명은 Why Carbon Nanotubes Grow 이다.