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Nikkei X-TECH_2020.11.4

고밀도 카본나노튜브를 14cm로 늘리다
지금까지는 2cm가 한계

와세다대학과 시즈오카대학은 “세계 제일의 고밀도 카본나노튜브(이하, CNT Forest)의 성장에 성공했다”라고 발표했다. 와세다대학 이공학기술원종합연구소 스기메(杉目) 연구원과 시즈오카대학 공학부 전자물질과학과의 이노우에(井上) 교수 연구팀의 공동연구로 실현되었다. 새로운 성장 방법의 개발로 인해 지금까지 2cm 정도가 한도였던 CNT Forest의 성장을 14cm까지 연장시켰다.

CNT를 성장시키는 방법으로서 일반적인 CVD(화학 기상 성장법)를 베이스로 하는 새로운 방법을 개발했다. 즉, 기판 위에 촉매를 고정해 원료가스와 반응시켜 CNT Forest를 성장시킨다. 그러나 원료가스 속에 유기금속인 페로센과 알루미늄(Al) 아이소프로폭사이드를 극미량 첨가하는 것이 새로운 방법의 특징이다.

페로센은 철(Fe)을, AI 아이소프로폭사이드는 Al을 공급하는 원료가 된다. 이 Fe과 Al이 CNT의 성장 중에 발생하는 나노 입자 촉매의 구조변화를 억제한다.

촉매에는 최근에 개발된 가돌리늄(Gd) 첨가 촉매(Fe/Gd/Al2Ox)를 채용했다. CNT의 성장에 유효한 Al 산화물(Al2Ox) 상의 Fe 촉매에 Gd를 미량 첨가함으로써 촉매 수명을 연장시켰다.

또한 연구팀은 기존의 Hot Wall형 CVD법을 대신할 방법으로 콜드가스 CVD법을 개발했다. Hot Wall식은 반응관 전체를 가열하기 때문에 원료가스도 가열되고, 기상(Gas-Phase) 속에서 화학반응이 진행된다. 그러나 콜드가스 CVD법은 반응하는 기판이나 촉매만을 가열하기 때문에 가스 온도가 낮게 유지되고 화학반응이 억제된다. CNT를 실온 근처로 유지함으로써 CNT 위에 불순물이 퇴적되는 것도 억제된다고 한다.

-- 촉매의 구조 변화를 억제해 오래 지속 --
CNT의 성장 조건을 상세하게 검토한 결과, Fe 원료는 Fe 촉매가 베이스로 확산돼 없어지는 현상을 방지, Al 원료는 촉매의 가로 방향의 구조변화를 막고 있다는 것을 알았다. Fe 원료나 Al 원료를 공급하지 않았을 때는 성장이 1시간 정도로 그치지만 그것들을 공급한 경우는 성장이 26시간 정도 지속되었다.

기존에는 집합체가 아닌 하나의 CNT를 50cm 정도로 성장시키는 방법은 개발되었다. 그러나 CNT의 밀도가 10만배 이상인 CNT Forest에 대해서는 가장 길어도 2cm 정도까지였다. 지금까지의 연구로 CNT Forest의 성장 정지에는 촉매의 구조변화가 관여하고 있다는 것을 알았다고 한다. 그래서 연구팀은 촉매의 구조변화를 멈추면 CNT의 성장을 계속할 수 있어 긴 CNT를 얻을 수 있다고 생각했다.

연구팀은 새롭게 개발한 방법으로 제작한 CNT에 전기특성평가를 실시했다. 그 결과, 밀도가 동(Cu)의 1/7로 경량이면서, Cu와 같은 정도의 허용 전류 밀도를 갖는다는 것이 밝혀졌다. 앞으로는 CNT 성장의 메커니즘을 상세하게 해명해 방법을 개량할 계획이다. 긴 CNT를 고효율로 얻을 수 있다면 용도가 다양해지고, 대량생산을 통한 비용 절감도 기대할 수 있다.

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