탄소나노튜브를 이용한 고전도성 폴리카보네이트 (polycarbonate)

[아이팍스]

탄소나노튜브를 이용한 고전도성 폴리카보네이트 (polycarbonate)

KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-05-17

휴스턴 대학교 (University of Houston) 물리학과의 Shay Curran 교수 연구팀이 폴리카보네이트 (Polycarbonate) 와 탄소나노튜브를 혼합하여 높은 전기전도성을 가지는 고분자소재를 개발했다. 이 연구는 미국 공군 (U.S. Air Force)의 지원으로 진행되었다.

이들의 연구 결과는 Journal of Applied Physics지 최근 호에 " 고전도성 탄소나노튜브/폴리비스페놀-A 카보네이트 복합재료의 전기전도성 측정 (Electrical Transport Measurements of Highly Conductive Carbon Nanotube/Poly(bisphenol A carbonate) Composite)" 이라는 제목으로 실렸다.
원래 아일랜드 트리니티 컬리지 (Trinity College Dublin) 에서 이 분야의 연구를 시작한 Curran 교수는 고전도성 플라스틱을 약간 다른 방식으로 연구했다. Curran의 연구팀은 플라스틱에서 현재까지 얻어진 것보다 높은 전기 전도성을 얻기 위해 탄소 나노튜브를 사용하는 방법을 생각해냈는데, Curran의 연구팀은 나노튜브와 폴리카보네이트를 결합해서 매우 높은 전기전도성을 가지는 나노복합재료 (nanocomposite)의 이정표를 세웠다.

Curran 교수는 폴리카보네이트는 기계적, 광학적 성질은 매우 우수한 반면에 비전도성 플라스틱이라서, 전기를 운반하는 능력은 나무에 비교할 수 있을 정도로 나쁘다며, 만약 폴리카보네이트가 우수한 전기적 특성도 가지게 된다면 어떨지 생각해 보라고 한다. 복합재료에 들어가는 나노튜브의 양을 조절해서 실리콘의 전기전도도로부터 금속의 전기전도도보다 몇 승정도 낮은 정도로 조절하는 것도 가능하다고 한다.
비교적 저렴한 이 플라스틱에 높은 전기전도성을 부여한다면 군용 비행기에서 개인용 컴퓨터에 이르기까지 모든 전자산업분야에 쓰일 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터에 열이나 전하 (electrical charge)가 축적되게 되면 고장이 일어난다. 따라서 이 플라스틱-나노튜브 복합재료를 정전기방지 코팅에 쓸 수 있으며, 또 전자기 간섭 (electromagnetic interference)을 막아주는 보호재료로도 써서 개인용 컴퓨터에서 개인용 정보 단말기 (PDA)에 이르는 여러 가지 정보 통신기기의 수명을 늘릴 수 있다.

연구의 다음 단계는 이 폴리카보네이트 나노복합재료를 여러 전자 부품에 코팅할 수 있도록 잉크 배합 (ink formulation)을 개발하는 것이다. 보통, 금속 판이 전하 (electrical charge)를 방출시키는데 사용된다. 따라서 똑 같은 역할을 할 수 있는 페인트가 있다면 공군에게 매우 매력적일 것이라는 것은 놀라운 일이 아니다. 더 가볍게 비행기를 만들 수 있다면 연료를 덜 소모할 것이기 때문이다.

이 연구의 다른 중요한 결과의 하나는 폴리카보네이트에 분산했을 때 산처리 (acid-treated) 탄소 나노튜브보다 원시 (pristine) 나노튜브가 더 높은 전기 전도성을 보였다는 것이다. 통상적으로 나노튜브는 높은 전기전도성을 얻기 위해 초음파 세정 (sonicatiion)이나 산처리를 해서 세척 및 그을음 (soot) 제거후에 사용된다. 하지만, 이 과정이 나노튜브에 손상을 입히고 결함을 발생시키는 것이다. Curran의 연구팀은 이 대신에, 나노튜브를 원심분리하거나 휘저었다. 이렇게 하면 시간은 더 오래 걸리지만 높은 전기전도성을 나타낼 가능성이 높아진다. 그는 실험에 쓰인 탄소 나노튜브를 웨이크 포리스트 대학교 (Wake Forest University) 물리학과의 David Carroll로부터 얻었는데 놀랍도록 깨끗한 탄소 나노튜브를 얻은 것이 바로 이 과정 때문이라고 한다. 연구팀은 원시 (pristine) 난소나노튜브를 사용해 1598.4 S cm?1, 산처리 탄소나노튜브를 사용해 435.4 S cm?1의 교류 포화 전도도 (saturated ac conductivity)를 얻었다.

이 연구에는 Curran 과 Carrol 외에 UH의 연구 부총장이자 전자공학 교수인 Donald Birx와 Curran교수의 전 박사후 과정생인 Jamal Talla 와 Donghui Zhang, 현 학생인 Sampath Dias가 참여했다.
같은 시기에, Curran교수의 박사과정 지도교수인 Werner Blau와 트리니티 컬리지 물리학과의 연구팀도 비슷한 결과를 ACS Nano지에 발표했다. 두 연구그룹은 이 분야의 연구를 지난 10년간 열심히 진전시켜왔다. Curran은 그의 연구팀이 지금까지의 결과 중 가장 높은 전기전도도를 기록하고 있지만 Blau의 결과에 고무되어 있으며, 연구가 계속되면 더 높은 값도 얻을 수 있을 것이라고 한다.
Curran은 이들의 연구결과가 대단한 수치이기는 하지만 아직 갈 길이 멀다면서, 뒤에 숨겨진 원리를 이해하고 계속 발전시키는 데는 적지 않은 투자가 필요하며, 행운의 출발을 가능하게 해준 공군에 감사한다고 밝혔다.

http://www.eurekalert.org/