[2020 대비 EBS] 고난도 시크릿× 봉투모의고사 Season 1 탄소 나노 튜브

[구렛나루]

다음 글을 읽고 물음에 답하시오.

21세기 산업은 신소재 경쟁이라고 할 만큼 신소재의 중요성이 부각되고 있다. 그중에서도 탄소 나노 튜브는 전기 전도도가 구리와 비슷해 전기가 매우 잘 통하고, 열전도율은 다이아몬드와 비슷하며, 강도는 철강보다 100배나 뛰어나지만 무게는 매우 가벼워서 21세기를 이끌 신소재로 주목받고 있다. 이러한 물질은 어떻게 만들어지는 것일까?

탄소 나노 튜브는 자연 상태의 물질이 아니라 사람이 인위적으로 만든 신소재이다. 우리에게 친숙한 흑연은 탄소들이 벌집 모양의 육각형 평면을 이루어 층으로 쌓여 있는 구조인데, 이 흑연의 한 층을 그래핀이라 부른다. 이 얇은 그래핀이 말려서 빨대 모양처럼 만들어진 것이 탄소 나노 튜브이다. 이때, 말린 각도 및 형태, 지름의 굵기에 따라 전기적으로 도체 또는 반도체의 특성을 보인다. 또한 이 신소재는 인장 강도가 매우 높아 잘 찢어지지 않기 때문에 실처럼 가느다란 밧줄을 만들어 자동차나 엘리베이터를 끌어당길 수 있고, 아주 얇고 가볍지만 매우 튼튼한 특수한 옷도 만들 수 있다.

탄소 나노 튜브의 합성 방법으로 가장 많이 사용되는 것은 아크 방전법이다. 이 방법은 고품질의 탄소 나노 튜브를 얻기 위한 최상의 방법으로 알려져 있다. 순도가 높은 흑연봉으로 만들어진 두 개의 탄소 전극을 배치하고, 두 전극에 전류를 가하면 두 전극 사이에서 방전이 일어나면서 음극에서 발생된 전자가 양극의 탄소 막대와 충돌한다. 이때 전자의 충돌에 의해서 양극의 탄소 막대에서 떨어져 나온 양이온이 낮은 온도로 냉각되어 있는 음극의 탄소 막대 표면에 응축되며 탄소 나노 튜브가 얻어진다. 20~40V의 직류 전원으로 50~100A의 전류가 흐를 때 전기 방전이 잘 일어나고, 두 전극의 거리가 1mm 이하일 때 안정적으로 방전이 일어난다. 따라서 양질의 탄소 나노 튜브를 합성하기 위해서는 음극의 온도를 낮게 유지하는 것뿐만 아니라, 전압, 전류를 적절하게 조절해야 하며, 양극에서 탄소 덩어리들이 떨어져 나가면서 음극과의 거리가 점점 멀어지므로 방전이 일어나는 동안에 두 극 사이의 거리를 일정하게 유지할 수 있어야 한다.

다른 방법인 촉매 화학 기상 합성법(CVD)은 탄소를 함유하고 있는 가스와 촉매 금속 입자를 반응시켜 탄소 나노 튜브를 형성한다. 이 방법은 촉매 금속의 사용이 필수적이며, 촉매 금속으로는 Ni, Co, Fe 등이 쓰이고 있다. 가스에 열이나 빛으로 에너지를 가하거나, 고주파를 쏘아서 플라스마*를 형성하면 가스에 포함된 탄소가 촉매와 반응하여 탄소 나노튜브가 형성되는 것이다. 온도를 높여서 퇴적시키는 것을 ‘열 CVD’, 화학 반응을 촉진시키기 위해 빛을 쏘는 것을 ‘빛 CVD’, 가스를 플라스마 상태로 만드는 방법을 ㉠‘플라스마 CVD’라고 한다. 이 중 최근에 각광받고 있는 것은 플라스마 CVD이다. 플라스마 CVD는 장비가 고가이지만 아크 방전법에 비해 비교적 저온에서 탄소 나노 튜브를 합성할 수 있고, 다량의 탄소 나노 튜브를 비교적 값싸게 얻을 수 있는 장점이 있다.

탄소 나노 튜브는 인류 역사상 이만큼 빠른 속도로 발전한 재료가 없다고 할 만큼 많은 주목을 받고 있고, 다양한 분야에서 활용되고 있다. 특히 반도체, 평면 디스플레이, 2차 전지 전극 및 연료 전지 등에서 산업의 구조를 뒤바꿀 만한 영향력이 있다고 평가되어 세계 각지에서 관심을 ⓐ가지고 연구하고 있다.

* 플라스마: 초고온에서 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 기체 상태.

35. 윗글을 통해 알 수 있는 내용으로 적절하지 않은 것은?

① 탄소 나노 튜브는 철강보다 강도가 뛰어나다.

② 다이아몬드와 탄소 나노 튜브는 열전도율이 비슷하다.

③ 탄소 나노 튜브는 인장 강도가 높아 잘 찢어지지 않는다.

④ 반도체, 2차 전지 등에서 탄소 나노 튜브를 활용할 수 있다.

⑤ 탄소 나노 튜브는 재료의 성분에 따라 도체 또는 반도체가 된다.

36. ㉠에 대한 설명으로 가장 적절한 것은?

① 촉매 금속이 필수적으로 있어야 한다.

② 탄소 나노 튜브를 대량 생산하는 데 불리하다.

③ 아크 방전법에 비해 높은 온도에서 화학 반응이 일어난다.

④ 탄소 나노 튜브의 합성 방법으로 가장 많이 사용되고 있다.

⑤ 고품질의 탄소 나노 튜브를 합성하는 데 가장 좋은 방법이다

37. 윗글을 바탕으로, <보기>를 이해한 내용으로 적절하지 않은 것은?

<보기>

   

① ㉮와 ㉯는 같은 물질로 이루어져 있겠군.

② ㉮와 ㉯ 사이의 거리는 1mm보다 가까워야겠군.

③ 화학 반응이 일어나면 ㉮의 크기는 점점 줄어들겠군.

④ 전압과 전류를 각각 10씩 올리면 합성 효율이 더 좋아지겠군.

⑤ 양질의 탄소 나노 튜브를 얻기 위해서는 ㉯를 지속적으로 냉각시켜야 하겠군.

38. ⓐ의 문맥적 의미와 가장 가까운 것은?

① 동생이 공을 가지고 학교에 갔다.

② 그는 새로운 직업을 가지게 되었다.

③ 우리는 다른 단체와 교류를 가지고 있다.

④ 아버지는 민주적인 사고방식을 가진 분이시다.

⑤ 그녀는 쌍둥이를 가져서 배가 남보다 더 불렀다.

탄소 나노 튜브

{해제}

이 글은 탄소 나노 튜브의 특징과 합성 방법에 대해 말하고 있다. 탄소 나노 튜브는 전기가 잘 통하고 열전도율이 좋으며 강도가 뛰어나지만 무게는 가벼워 21세기를 이끌 신소재로 주목받고 있다. 탄소 나노 튜브는 흑연에서 추출한 그래핀이 말려 빨대 모양처럼 만들어진 것이다. 탄소 나노 튜브의 합성법으로는 아크 방전법과 촉매 화학 기상 합성법이 있다. 아크 방전법은 흑연으로 이루어진 두 개의 탄소 전극에 전류를 가해 탄소 나노 튜브를 얻는 방법으로 고품질의 탄소 나노 튜브를 합성할 수 있다. 촉매 화학 기상 합성법은 탄소를 함유한 가스에 촉매 금속 입자를 반응시켜 탄소 나노 튜브를 합성하는 방법으로 비교적 저렴한 가격에 다량의 탄소 나노 튜브를 합성할 수 있다. 탄소 나노 튜브는 다양한 분야에 활용될 수 있어 각지에서 많은 연구가 이루어지고 있다.

{주제}

탄소 나노 튜브의 특징과 합성 방법

{구성}

∙ 1문단: 탄소 나노 튜브가 주목받는 이유

∙ 2문단: 탄소 나노 튜브의 특징

∙ 3문단: 탄소 나노 튜브의 합성 방법 ① - 아크 방전법

∙ 4문단: 탄소 나노 튜브의 합성 방법 ② - 촉매화학 기상 합성법(CVD)

∙ 5문단: 탄소 나노 튜브의 활용 전망

35. ⑤ 세부 정보, 핵심 정보 파악

{정답 해설}

2문단에서 탄소 나노 튜브는 말린 각도 및 형태, 지름의 굵기에 따라 전기적으로 도체 또는 반도체의 특성을 보인다고 설명하고 있다.

{오답 해설}

① 1문단에서 탄소 나노 튜브는 철강보다 강도가 100배나 뛰어나다고 설명하고 있다.

② 1문단에서 탄소 나노 튜브는 다이아몬드와 열전도율이 비슷하다고 설명하고 있다.

③ 2문단에서 탄소 나노 튜브는 인장 강도가 매우 높아 잘 찢어지지 않는다고 설명하고 있다.

④ 5문단에서 탄소 나노 튜브는 반도체, 2차 전지등 다양한 분야에서 활용된다고 설명하고 있다.

36. ① 세부 내용 추론

{정답 해설}

4문단에서 CVD는 촉매 금속의 사용이 필수적이라고 설명하고 있다.

{오답 해설}

② 4문단에서 플라스마 CVD는 다량의 탄소 나노튜브를 비교적 값싸게 얻을 수 있다고 설명하고 있다.

③ 4문단에서 플라스마 CVD는 아크 방전법에 비해 저온에서 탄소 나노 튜브를 합성할 수 있다고 설명하고 있다.

④ 3문단에서 아크 방전법이 탄소 나노 튜브 합성 방법으로 가장 많이 사용된다고 설명하고 있다.

⑤ 3문단에서 아크 방전법이 고품질의 탄소 나노 튜브 합성을 위한 가장 좋은 방법이라고 설명하고 있다.

37. ④ 구체적 상황에 적용하기

{정답 해설}

3문단에서 20~40V의 직류 전원으로 50~100A의 전류가 흐를 때 전기 방전이 잘 일어난다고 하였으므로, 전압과 전류를 올리면 합성 효율이 떨어질 것이다.

{오답 해설}

① 3문단을 통해 두 개의 탄소 전극이 모두 흑연으로 이루어져 있다는 것을 알 수 있다.

② 3문단에서 두 전극의 거리가 1mm 이하일 때 안정적으로 방전이 일어난다고 하였으므로, ㉮와 ㉯ 사이는 1mm보다 가까워야 할 것이다.

③ 3문단에서 양극에서 탄소 덩어리들이 떨어져 나가면서 음극과의 거리가 점점 멀어진다고 하였으므로 ㉮의 크기는 점점 줄어들 것이다.

⑤ 3문단에서 탄소 이온이 음극의 막대에서 응축되므로 음극의 온도를 낮게 유지해야 한다고 하였다. 따라서 합성을 계속하기 위해서는 ㉯를 지속적으로 냉각시켜야 할 것이다.

38. ④ 어휘의 문맥적 의미 파악

{정답 해설}

ⓐ의 ‘가지다’는 ‘생각, 태도, 사상 따위를 마음에 품다.’의 의미이므로 ‘사고방식을 가지다.’에서 사용된 것과 유사하다.

{오답 해설}

① ‘손이나 몸 따위에 있게 하다.’의 의미로 사용되었다.

② ‘직업, 자격증 따위를 소유하다.’의 의미로 사용되었다.

③ ‘관계를 맺다.’의 의미로 사용되었다.

⑤ ‘아이나 새끼, 알을 배 속에 지니다.’의 의미로 사용되었다.