탄소 나노튜브 안테나 특성

 

 

수 미터의 높이와 폭을 갖는 안테나 배열은 전파를 검출하고 송신할 수 있다. 최근에

는 나노 크기의 탄소 나노튜브 배열이 이보다 훨씬 작은 파장의 전자기파에서 같은 

효과를 내는 것으로 확인됐다. 

 

Wang et al.은 "Applied Physics Letters"에 발표한 논문에서 정렬된 나노튜브 배열

이 전자기파 안테나로 작용할 수 있다는 것을 확실하게 보여주었다. 그들의 실질적

인 실연은 예상된 효과를 확인하는 차원을 넘어 실용적인 소자에 적용할 수 있다는 

것을 의미한다. 

 

안테나가 전파의 검출기와 송신기로 작동하는 것은 익히 알려져 있다. 하지만 안테

나들은 그들의 크기에 따라 전파, 가시광선, 마이크로파와 같이 각기 다른 파장의 신

호를 받을 수 있다. 모든 안테나는 두 가지 주요 특성을 갖는다. 첫 번째, 안테나의 

반응은 입사되는 전자기파의 편광(여기서 편광은 전자기파의 전기장이 특정 방향으

로 정렬된 상태를 의미한다) 상태에 따라 변한다. 편광 면이 안테나의 장축에 대해 

90도 각을 이루면 전달되는 신호가 가장 약하다. 두 번째, 안테나들은 그들의 길이

에 따라 반응 정도가 다른데, 반파장의 정수배(0.5, 1.0, 1.5 등등)가 될 때 신호가 가

장 강하다. 이것이 안테나 길이 효과다.

 

탄소 나노튜브의 안테나 특성들과 적당한 편광 방향은 홀겹 탄소 나노튜브(single-

wall carbon nanotube, 이하 SWCNT)를 처음으로 합성한 1993년 직후 이론적으로 

이미 예측됐다. SWCNT들은 단일 흑연층을 말아서 매끄러운 실린더 모양으로 만든 

구조물이다. 여러 겹의 탄소 나노튜브(multi-wall carbon nanotube, 이하 MWCNT)

들은 러시아 인형처럼 SWCNT들이 동심으로 여러 개 모여 만들어진 것이며, 튜브 

사이의 간격은 자연 상태의 흑연 층 사이의 거리와 비슷하다. 따라서 나노튜브들은 

튜브의 축을 따라 잘 정의된 1차원 구조를 갖는다. 

 

Wang et al.은 MWCNT들의 불규칙한 배열에 대해 실험을 수행했다. 튜브들은 장축

에 대해 정렬됐으며 나노 규모에서 실리콘 기판 위쪽으로 자라난 조밀한 나무숲처

럼 보였다. 나노 튜브 배열에서 각각의 MWCNT는 직경 50나노미터, 길이 200~1000

나노미터(각 배열 내에서 MWCNT들은 대략 비슷한 길이를 가짐에도 불구하고) 정

도의 금속 막대처럼 행동했다.  

 

이 연구가 특별히 새로운 점은 안테나 길이 효과를 직접적으로 확실하게 보여주었다

는 것이다. Wang et al.은 가시광선을 이용하여 배열 내의 나노튜브의 평균 길이가 

입사되는 빛의 파장의 반 정수배가 될 때 반사되는 빛이 최대가 됨을 보여주었다. 그

들은 나노튜브 배열로부터 반사되는 빛과 나노튜브 숲을 따라 놓여진 반사도가 높

은 금속 표면에서 반사되는 편광된 빛을 비교함으로써 편광 효과를 생생하게 보여주

었다. 금속 표면에서 빛의 반사가 최대가 되려면 전기장 벡터는 금속 표면의 평면에 

있어야만 한다. 반면 나노튜브 배열로부터의 반사는 편광된 빛의 전기장 벡터가 나

노튜브의 축과 일치할 때(실리콘 기판에 수직일 때) 가장 강하다. 

 

나노튜브 배열의 이러한 특성들은 층상 흑연의 ‘침투 깊이(skin depth)’가 매우 심한 

방향성을 갖는 특별한 전자기적 거동과 연관성이 있다. 침투 깊이는 전자기파가 물

질 내로 파고드는 특성 거리이다. 만일 입사되는 전자기파가 흑연 층의 평면에 평행

하게 편광되면 침투깊이가 작아서 빛은 강하게 흡수된다. 하지만 평면과 수직으로 

편광되면 빛의 침투깊이가 10배 이상 커져서 흡수가 매우 약해진다. 이러한 이방성

을 갖는 흑연의 전자기적 특성은 1960년대 폴라로이드 필름이 개발되기 전까지 적외

선 및 마이크로파 편광기를 만드는데 흔히 사용됐다. 

 

그러한 편광 효과는 탄소 나노튜브가 빛을 흡수하고, 반사하고, 방출하는 기본적인 

특성을 연구하는데 유용하다. 산란된 빛의 강도는 빛의 흡수 및 방출에 비례하기 때

문에 탄소 나노튜브의 광학 과정에 대한 민감한 측정 도구가 될 수 있다. 더욱이 편

광은 탄소 나노튜브의 왼손잡이 특성이나 오른손잡이 특성을 결정하는데 있어 중요

한 역할을 한다. 

 

Wang et al.은 탄소 나노튜브에서 편광 효과가 여러 연구팀에 의해 관측되어 왔다

고 지적했다. 이 효과는 MWCNT와 SWCNT들의 다발, 개개의 금속성 SWCNT 및 

반도체 SWCNT, 제올라이트 템플릿 속에 있는 매우 작은 직경(0.4nm)의 SWCNT들

을 이용한 실험에서 관측됐다. 개별적인 SWCNT에 대한 편광 연구를 수행함으로써 

나노튜브 축에 수직인 전기장의 완전한 억제가 실연됐으며, 튜브가 다른 SWCNT들

로부터 충분히 고립되어 있을 때와 근처의 SWCNT들과 상호작용하고 있을 때에 대

해 개별 나노튜브들의 쌍극자 패턴이 연구됐다. 

 

Wang et al.의 연구는 광전자공학에서 여러 가지로 응용될 수 있다. 예를 들면, 다양

한 길이를 갖는 MWCNT들의 배열을 이용한 적외선 편광기 혹은 편광 검출기, 원하

는 길이로 만들어진 MWCNT들을 이용한 특정 파장 검출기 등이 있다. SWCNT보다

는 MWCNT가 선호되는데, 그것은 MWCNT의 전기적 금속성과 기계적 강도가 우수

하고 배열 내에서 불규칙적인 간격이 간섭 효과를 억제하기 때문이다. 

 

MWCNT 배열의 준비 과정은 잘 정립된 기술을 이용하면 생산효율이 높은 과정으

로 쉽게 확장될 수 있다. 10년 이상의 탄소 나노튜브 역사 동안 개인 부문에서 나노

튜브의 연구 개발 분야에 상당한 투자가 이루어졌으며, 이번에 Wang et al.이 개발

한 기술은 상업적으로 상당한 가치가 있는 광전자공학 분야에 여러모로 응용될 것이

다.  

 

정보출처   Nature 432  ( 2004년 12월 22일 )