초소형 테라비트급 반도체, 두께 1mm의 고선명 디스플레이, 수소연료
자동차...

21세기 꿈의 기술로 불렸던 이런 제품들이 점차 현실로 다가오고 있다.

바로 "꿈의 신소재"로 불리는 탄소나노튜브 때문이다.

지난 91년 발견된 탄소나노튜브는 탄소원자로 이어져 구성된 직경
1나노미터(10억분의 1m)급의 원통형 물질.

탄소원자가 3개씩 결합해 벌집모양을 한 평면형 탄소구조가 말려서 튜브
모양이 됐다고 해서 붙여진 이름이다.

2억개를 한 다발로 묶어야 겨우 머리카락 굵기가 될 정도로 가늘다.

반면 길이는 직경의 1만배에 이를 만큼 길다.

모양을 바꾸면 반도체가 되기도 하고 도체(전기가 잘 통하는 물질)가 되기도
한다.

또 무게가 가벼울 뿐만 아니라 튜브내에 빈 공간이 많아 다양한 물질을
채울수 있고 구조적으로 안정돼 있다.

이 때문에 과학자들은 탄소나노튜브의 특성을 이용해 다양한 기술을 개발
하고 있다.

지금까지 나타난 탄소나노튜브의 응용분야를 살펴본다.

<> 테라비트급 메모리반도체 배선재료 =탄소나노튜브를 이용하면 테라비트급
메모리 반도체를 만들 수 있다.

일반적으로 반도체 회로의 배선폭이 짧아질수록 메모리의 크기는 증가한다.

선폭이 1백분의 1로 줄어들면 집적도가 1만배 정도 향상된다.

배선재료로 탄소나노튜브를 사용하면 회로선폭이 몇 나노미터 정도까지
좁혀질수 있다.

지금의 기술수준은 선폭이 3백40나노미터로 IBM NEC 필립스 등에서 적용
가능성을 확인한 정도다.

그러나 과학자들은 메모리의 선폭을 1백나노미터(16기가비트급)로 좁히는
것을 목표로 기술개발을 진행하고 있다.

테라비트급 반도체를 만들기 위해서는 선폭이 수 나노미터가 돼야 한다.

<> 전계방출디스플레이(FED)용 미세전자총 =흔히 브라운관이라고 불리는
음극선관(CRT)은 덩치가 크고 무거운 단점은 있지만 화질에서 만큼은 다른
어떤 디스플레이보다도 뛰어난 성능을 갖고 있다.

차세대 디스플레이로 불렸던 액정(LCD)도 CRT에 비하면 화질이 크게
떨어진다.

그러나 탄소나노튜브는 CRT를 완전히 대체하는 새로운 디스플레이의 등장을
가능하게 할 것으로 보인다.

삼성종합기술원은 지난해 10월 탄소나노튜브를 FED용 미세전자총으로 사용해
4.5인치 컬러디스플레이를 만드는데 성공했다.

CRT는 무겁고 큰 원뿔 모양의 튜브끝에 있는 전자총을 사용해 화면을
나타낸다.

반면 FED는 하나의 평판에 배열된 수많은 미세전자총을 사용해 뛰어난
화질을 만들어낸다.

CRT에 비해 전력소비도 적고 전자총의 수명도 반 영구적이다.

현재 삼성전자 모토로라 캐논 픽테크 등이 탄소나노튜브를 이용한 평판
디스플레이 상용화를 추진중이다.

이 기술이 발전하면 두께 1mm의 화면으로 CRT 수준의 화질을 만들어낼수
있다.

<> 2차전지 및 연료전지용 재료 =수소를 연료로 이용할 경우 기존의 석유
연료보다 훨씬 높은 에너지 효율을 얻을수 있다.

환경오염문제도 걱정할 필요가 없다.

그러나 문제는 비용과 안전한 저장이다.

수소를 만들기 위해 물을 전기분해하려면 막대한 전력이 필요하다.

또 수소를 자동차연료로 이용하려면 현재의 가솔린 연료통 보다 약 3천배
정도 큰 연료통이 필요하다.

그러나 탄소나노튜브는 수소의 저장문제를 해결해 줄 수 있다.

탄소나노튜브의 빈 공간에 수소나 리튬을 저장하면 탄소원소당 1개씩의
수소원소를 흡수하며 상온에서 80%의 수소를 재배출한다.

이런 원리를 이용해 대용량의 배터리를 만드는 연구가 진행되고 있다.

그러나 아직은 실험적으로 가능하다는 사실만 입증됐을뿐 상품화까지는
요원한 상태다.

과학자들은 휴대폰의 경우 탄소나노튜브 1g으로 40일까지 사용이 가능한
충전지를 만들수 있을 것으로 보고 있다.

미국 노스웨스턴 대학은 가솔린 자동차의 연료통 크기의 탄소나노튜브로
만든 수소저장탱크를 장착한 연료전지자동차는 1회 충전으로 8천km 주행이
가능할 것으로 추정하고 있다.

<> 고인성 재료 =탄소나노튜브의 인장력은 강철의 1백배, 탄소 섬유의
10배에 달하지만 무게는 강철의 강철의 6분의 1 정도에 불과하다.

이러한 특성을 이용해 인공근육을 만드는 연구가 활발히 진행되고 있다.

특히 탄소나노튜브에 전원을 연결하면 인간의 근육과 유사한 기계적 운동을
하는 것으로 밝혀져 이 분야의 연구에 활기를 불어 넣고 있다.

실제 인공근육을 개발한 미국의 앨리드시그널사는 "로봇 인공심장 정밀기계
항공기제어시스템 등에 사용되는 작동기로 탄소나노튜브가 유용하게 쓰일수
있다"고 밝히고 있다.

정지위성을 탄소나노튜브 케이블로 연결하고 이 케이블에 화물엘리베이터를
장착해 인공위성이나 우주선을 실어 나르는 작업에도 활용 가능하다.

<> 초소형 센서 =진동하는 탄소나노튜브에 무게를 알고자 하는 물질을
부착한 후,그 진동의 변화를 전기적으로 감지하여 무게를 측정하는 원리를
이용해 정밀저울을 만들수 있다.

이렇게 하면 10조분의 1그램까지 측정이 가능하다.

바이러스의 무게, 그을음의 알맹이 조각도 측정할수 있다는 얘기다.

최근에는 한인과학자 연구팀이 탄소나노튜브를 이용해 미량의 유해독성
가스도 감지해 낼 수 있는 센서를 개발했다.

이 센서는 탄소나노튜브 양쪽에 전류측정용 전극이 붙어 있어서 가스분자
등이 탄소나노튜브에 접촉할 때 탄소나노튜브 내부에서 일어나는 전기흐름의
변화를 감지, 가스를 찾아내게 된다.

< 김태완 기자 twkim@ked.co.kr >

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[ 탄소나노튜브란 ]

탄소나노튜브(Carbon Nanotube)는 풀러렌을 연구하던중 우연히 발견됐다.

지난 1985년 미국 라이스 대학의 리처드 스몰리 교수와 영국 석세스 대학의
헤롤드 크로트 교수가 발견한 풀러렌은 자연상태에서 안정성을 갖는 제3의
탄소동소체.

그동안 안정적인 탄소 동소체는 다이아몬드와 흑연 뿐이었다.

풀러렌은 부분적으로 산화나 환원을 시키면 전기가 통할 뿐 아니라 낮은
온도에서는 초전도성까지 나타나 신소재로 각광을 받았다.

이 때문에 과학자들은 이 신소재가 고강도 재료, 신약, 고성능 연료 등에
폭넓게 사용될수 있을 것으로 생각했다.

그러나 풀러렌에 대한 과학자들의 예측은 빗나갔다.

풀러렌은 구조자체가 너무 안정적이어서 조작이 어렵고 생산량이 너무 적어
활용이 어려웠다.

이제 과학자들은 풀러렌에서 풀지못한 비밀을 탄소나노튜브에서 찾고 있다.

지난 91년 일본 NEC 연구소의 이지마 박사가 풀러렌을 연구하던중 전자
현미경을 통해 관찰한 이 물질은 도체와 반도체의 성격을 갖고 있는데다
가늘고 길기 때문에 축구공 모양의 풀러렌과는 달리 이용범위가 훨씬 넓을
것으로 예측되고 있다.

그러나 탄소나노튜브를 이용한 기술이 상용화되기 위해서는 여전히 장애물
이 많다.

예를들어 탄소 분말을 고전압으로 방전시켜 만들지만 1km의 탄소나노튜브를
만드는데 1백만달러의 제조비용이 든다.

백금보다 가격이 비싸다.

또 대량생산이 어렵다는 것도 문제다.

과학자들은 5~10년안에 탄소나노튜브의 대량생산이 가능할 것으로 예측하고
있다.

그러나 이를 이용한 기술이 상업화되려면 최소한 10년이상의 기간이 필요할
것으로 보고 있다.

( 한 국 경 제 신 문 2000년 2월 8일자 ).