탄소나노튜브의 여기자 크기와 이동도

 

탄소는 무게로 환산하면 전 세계에서 4번째로 풍부한 물질이고 이것이 없으면 지구

상에는 생명이 살 수가 없다. 원자들이 어떻게 결합되었는지에 따라서 탄소는 석탄

에서 다이아몬드 그리고 흑연까지 다양한 물질로 만들어질 수 있다. 단일 원자 두께

의 평편한 시트로 흑연을 자르면 그라핀이라는 새로운 물질을 얻을 수 있고 이 그라

핀 시트를 신문지처럼 감으면 탄소나노튜브가 만들어진다. 

 

탄소나노튜브는 수많은 탄소 원자들로 구성된 나노크기 분자들이다. 육방정계 구조 

속에 3 개의 다른 원자들이 서로 결합되어 있는 철망을 감아 놓은 것과 같은 모습으

로 구성되어 있다. 이 구조는 나노튜브의 중심축을 중심으로 정렬될 수 있고 아니면 

비틀려서 존재하도록 할 수 있다. 탄소나노튜브의 길이는 몇 센티미터이지만 전체 

튜브의 폭은 단지 몇 나노미터이거나 사람의 머리카락보다 10만 배 더 작다. 이런 크

기에서 탄소나노튜브는 마치 1차원에서 존재하는 것처럼 움직인다. 탄소나노튜브는 

우수한 구조적, 화학적, 광학적, 전기적 성질 때문에 항공기, 광전자장치 그리고 생

체 의학 같은 다양한 영역을 이끌어가는 차세대 물질로 인정되고 있다. 탄소나노튜

브는 강철에 비해서 50 배 더 강한데 비해서 매우 가볍다. 또한 열전도율이 매우 좋

아서 플렉서블 전자장치나 광기전 장치 그리고 다양한 감지 물질로 적용될 수 있다. 

따라서 탄소나노튜브는 현재의 기술을 보완하거나 대체할 수 있는 잠재력을 가지고 

있어서 차세대 광학 장치와 전자장치의 주요 구성요소가 될 수 있고 현재의 크기 한

계를 극복할 수 있어서 전자장치를 소형화시키고 전력 소비를 줄일 수 있는 장점이 

있다. 

 

그렇지만 아직 탄소나노튜브에 대해서 완벽하게 이해하지는 못했다. 연구진은 탄소

나노튜브를 통해서 입자들이 어떻게 움직이는지를 이해하는 것이 새로운 적용을 위

한 필수적인 단계 중 하나가 될 것이라고 보고 있다. 그래서 독일 울쯔부르그 대학

(University of Wurzburg)의 연구진은 탄소나노튜브의 독특한 광 방출 성질을 연구

할 수 있는 실험적 장치를 개발하고 있다. 이 연구는 NSF로부터 자금을 지원받고 있

다. 이번 연구진은 이탈리아와 독일 과학자와 함께 최근 Nature Physics에 “Size 

and mobility of excitons in (6, 5) carbon nanotubes“ 이라는 제목으로 연구결과

를 게재했다. 여기에서 반도체 성질을 가지는 탄소나노튜브 속을 광자가 어떻게 움

직이는지에 대한 연구를 진행했다. 

 

탄소나노튜브는 특이한 지름과 뒤틀림 때문에 반도체 성질과 금속 성질을 가진다. 

이번 연구에는 코르크 마개뽑이처럼 소용돌이치는 원자 사슬을 가진 키랄 나노튜브

(chiral nanotube)를 사용했다. 키랄 탄소나노튜브는 한 개의 6각형에 패턴의 다른 

열 AND와 다른 행이 서로 겹쳐져 있어서 뒤틀려진 철망과 같은 구조로 되어 있다. 

탄소나노튜브의 뒤틀림 정도와 방향은 (n,m)으로 시각화할 수 있다. n은 열(row)의 

수이고 m은 초기 원자와 겹쳐지는 다른 원자의 행(column)의 수이다. 

 

과학자들은 나노튜브 속에 얼마나 많은 여기자(exciton)들이 존재하는지를 연구하

기 위해서 여기자의 크기를 측정했다. 만약 구슬로 채워진 1 갤런 크기의 컨테이너

를 가졌다고 가정했을 때 각각의 구슬들이 얼마나 큰지를 알기를 원한다면 컨테이

너 속의 구슬을 세면 간단하게 계산할 수 있을 것이다. 예를 들어 128개의 구슬들이 

있다면 1 갤런 당 128 액량 온스가 있기 때문에 각각의 구슬은 1 액량 온스보다 훨씬 

큰 공간을 차지한다. 연구진은 여기자의 크기가 나노튜브의 폭과 유사한 크기를 가

졌다는 사실을 발견했다. 이것은 여기자들이 운하에서 큰 배들이 옆으로 이동할 수 

없는 것처럼 앞과 뒤로만 움직일 수 있다는 것을 의미한다. 이론적으로는 여기자의 

크기가 실제 크기보다 조금 더 작은 걸로 예견되었다. 또한 연구진은 여기자의 이동

도를 조사했다. 여기자의 이동도는 여기자가 존재하는 동안 어떤 일이 일어났는지

를 더 잘 이해할 수 있도록 하기 때문에 중요하다. 여기자가 큰 이동도를 가졌다면 

탄소나노튜브의 끝까지 이동할 수 있을 것이다. 그러나 연구진이 측정한 결과로 이

동도는 실제 그렇게 크기 않고 여기자의 수명동안 그렇게 멀리 여행을 하지 못할 것

이라는 사실을 발견했다. 

 

 

여기자의 행위에 대한 이론적 예견은 여전히 어려워서 더 많은 실험이 진행될 필요

가 있다고 연구진은 말했다. 

 

그림. 흑연 표면 위를 지나고 있는 두 개의 교차 탄소나노튜브.

 

 

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출처 : KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-02-12