전도에 탁월한 성능을 보이는 탄소나노튜브 특성의 수학적 입증

 

작은 고집적회로가 들어간 전자장치를 제조하는데 있어서, 나노기술 연구진이 어떤 

달갑지 않은 기술적 한계 ? 높은 전류밀도는 전자이동(electromigration)과 열이동

(thermomigration) (- 전자가 전도되는 것과 금속 원자가 확산되는 사이에서 모멘

텀 이동으로 인해 전도체에서 이온이 이동하는 것에 의해 야기되는 물질 이동. 금속

을 구성하고 있는 원자에 전자가 충돌하여 마찰 및 열을 발생시키고 금속구조에 변

경을 가져오는 것, <참조 URL 1> from Wikipedia.org)을 야기하여 금속 전도체에 손

상을 주고 열을 발생시켜 장치의 조기 고장을 유발하는 것 - 들을 극복하기 위한 연

구를 진행하고 있다. 

 

전자조립을 연구하는 버팔로 대학(University of Buffalo) 연구진은 주목할만한 발견

을 해냈다. 그것은 이 기술적 한계가 단일벽 탄소나노튜브(Single-Walled Carbon 

Nanotubes, SWCNTs)에 있어서는 적용되지 않는다는 것이다. 버팔로대학의 토목, 

구조, 환경공학과의 교수이고, 버팔로대학의 공학 및 응용과학부 전자조립 연구실 

디렉터인 세말 바사란(Cemal Basaran) 교수는 “수년전만 해도, 모든 사람들은 전

자공학에서 냉각 문제는 해결될 것이라고 생각했다. 이제 우리는 그것이 진실이 아

니라는 것을 안다. 금속에 기반을 둔 전자공학은 이 한계를 넘으려는 시도를 했고, 

우리가 금속을 가지고 이것을 해냈다.”라고 말했다. 

 

SWNT는 단원자 두께로 매우 얇고 속이 빈 실린더이다. SWNT는 금속에 비해 수천

배 강도가 높아서, 미래 전자공학 응용분야에서 사용되는 금속을 대체할 것이라 기

대되고 있다. 탄소나노튜브는 다양한 특성으로 인해 평면디스플레이

(GTB2009030506), 미세모터(GTB2009020940), 연료전지 전극촉매

(GTB2009010649) 등 다양한 분야에 응용된다. 

 

바사란 교수와 그의 박사과정 학생인 타렉 라갑(Tarek Ragab)은 4년동안 양자역학 

계산을 수행해왔는데, 이 계산을 통해 탄소나노튜브에서는 높은 전류밀도가 전자이

동과 열이동을 야기시키지 않고, 또한 구리 같은 전통적인 금속에서 발생되는 열의 

1%만 발생된다는 것을 발견해냈다. 바사란 교수는 11월 올란도에서 열린 미국 기계

학회 국제 기계공학 학술대회 기조강의에서 이 결과를 발표했다. 

 

이 결과는 CNT의 다른 주요 물성도 나타낸다고 바사란 교수는 다음과 같이 전했다. 

“이전에는, 탄소나노튜브에서도 전기적 열 프로세스는 줄의 법칙(Joules law)이 적

용되어, 회로에서의 저항은 전기 에너지를 열에너지로 변환시킨다고 가정되어왔다. 

우리는 최초로 양자역학 관점에서 탄소나노튜브는 줄의 법칙을 따르지 않는다는 것

을 수학적으로 밝혀냈다.” 

바사란 교수에 따르면, 금속과 탄소나노튜브의 본질적인 차이는 그것들이 전기를 전

도하는 방식에 있다고 한다. 탄소나노튜브는 전도성을 가짐에도 불구하고, 그것들

은 금속결합을 가지고 있지 않다. 이러한 결과로, 그것들은 전형적인 금속이 전도하

는 방식처럼 전기를 전도하지 않는다. 그의 설명에 따르면, 전형적인 금속에서, 전도

는 금속격자에서 전자의 산란을 야기시켜 전자들이 전도 동안 움직일 때 원자와 충

돌한다. 여기서 마찰이 일어나면서 열이 발생하게 되는 것이다. 반면, 탄소나노튜브

에서는 전자 전도가 금속과는 매우 다른 1차원적인 탄도방식(ballistic way)으로 이

루어진다. 전자들은 물질로 바로 발사되어 원자와의 간섭이 거의 없다. 그는 전통 기

차와 자기부상열차의 차이로 이 해석을 비유했다. 

 

전통 기차에서는 바퀴와 트랙 간의 마찰이 일어난다. 열이 발생함에 따라, 마찰은 에

너지 손실을 가져온다. 그러나 자기부상열차에서는, 바퀴와 트랙 간의 직접 접촉이 

없기 때문에 마찰이 없어서, 더욱 빠르게 움직일 수 있다. 마찰의 최소량은 탄소나노

튜브에게 전형적인 금속에 비해 엄청난 이점을 가져온다. 탄소나노튜브의 고유 물성

은 전형적인 금속이 가지는 한계가 없기 때문에 지금 당장은 없더라도 매우 작고 빠

르고 강력한 새로운 장치 개발의 가능성을 갖게 해준다. 예를 들어, 전기자동차가 제

조될 때, 그것의 배터리는 탄소나노튜브에 기반을 둘 것이다. 당신은 전형적인 금속

이 배터리에서 사용되면 매우 뜨겁기 때문에 사용될 수 없다. 

 

버클리 대학의 바사란의 1백만달러 펀드의 대부분은 해군이 제조한 전기 선박과 같

은 매우 까다로운 조건에서 작동해야 하는 복잡한 전자시스템에 관심이 있는 미 해

군과 같은 단체에 의해 지원된다. 바사란 교수의 전망은 금속의 고전류밀도 성능 물

성과 그 한계에 대한 정보를 구하는 것에서 변화하고 있다. 

 

그는 또한 미국 전자산업의 현재 연구와 개발 비용은 아시아 경쟁자에 비해 매우 작

다고 지적하기도 했다. “산업체에서 현재의 방식을 지속한다면, 탄소나노튜브 기반 

전자산업으로 전환됐을 때, 미국 전자산업 제조업체들이 현재의 방식을 지속한다면 

미국 자동차 제조업체와 비슷한 상황에 처할 것이다. 지금 상황은, 공학에서 진보를 

유지하는데 실패하고 있기 때문이다.”라고 경고했다.

 

 

http://www.sciencedaily.com/

KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-03-22