Synthesis of Carbon Nanotubes/ko

프로젝트 데이터

저자	다니엘 파즈-솔단
위치	킹스턴 , 캐나다
OKH 선언문	다운로드

탄소나노튜브의 효율적인 대량 생산을 위한 현재 및 미래 방법에 대한 검토

^{탄소 나노튜브 W가} 1991년에 처음 발견된 이래로 , 이 놀라운 구조를 대량 생산하기 위해 수년간의 연구가 투자되었습니다. 탄소 나노튜브(CNT)는 재료 공학에 혁명을 일으켜 새로운 특성을 가진 재료를 만들 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 나노튜브를 나노스케일 장치 및 재료에 구현할 수 있는 실현 가능한 재료로 만들기 위해서는 대규모로 CNT 합성 공정을 최적화하는 것이 필요합니다.

개요

CNT는 고유한 특성 때문에 매우 바람직한 재료입니다. C2 다이머 W와 C3 트리머 W의 사슬과 반구형 캡으로 형성된 풀러렌 W의 파생물입니다 _. [ ¹ ] _실험 결과 ^, 인장 강도 ^{W 가 ~} 25 GPa이고 영률 W가 최대 1 TPa이므로 사용 가능한 재료 중 가장 강하고 단단한 재료 중 하나임이 밝혀졌습니다 . 탄소 나노튜브는 또한 전도성이 매우 높고 고유한 광학적 특성을 가지고 있습니다. ^{[2] 나노스케일 집적 회로 W} 와 전계 효과 트랜지스터 ^W , 태양광 전지 ^W , 복합 재료 ^W 등에서 저손실 커넥터로서의 잠재력이 있습니다 ^. 탄소 나노튜브는 단일 탄소 층으로 구성된 단일벽 나노튜브(SWNT)와 여러 개의 중첩된 튜브로 구성된 다중벽 나노튜브(MWNT)의 두 가지 주요 범주로 나뉩니다.

일반적인 합성 기술

아크 방전 및 레이저 절제

소량의 CNT를 합성하는 데 성공적으로 사용된 첫 번째 방법은 아크 방전법이었습니다. 각각 6mm와 9mm 흑연 막대로 만든 반대 양극 및 음극 단자를 불활성 환경(He 또는 Ar, ~500 Torr)에 놓습니다. 일반적으로 약 100A(DC 또는 AC)의 강한 전류를 단자 사이로 통과시켜 흑연의 탄소 원자를 증발시키는 아크 유도 플라즈마를 생성합니다. 나노튜브는 이러한 단자의 표면에서 성장합니다. ^[3] 촉매를 흑연 단자에 도입할 수 있습니다. MWNT는 촉매 없이도 형성할 수 있지만 SWNT는 철이나 코발트와 같은 금속 촉매를 사용해야만 형성할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다. ^[4] 1995년에 처음 개발된 레이저 어블레이션이라는 공정은 비슷한 원리를 사용하여 나노튜브를 생산합니다. 탄소는 강력하고 집중된 레이저 빔을 사용하여 흑연 타겟에서 고온에서 증발됩니다. 가장 기본적인 레이저 절삭 기술에서는 직경 1.25cm의 흑연 타겟을 직경 2.5cm, 길이 50cm의 석영 튜브에 넣고 1200oC로 제어 ^하고 99.99% 순수 아르곤으로 채워 500Torr의 압력으로 가열합니다. 250mJ(10Hz)의 펄스 Nd:Yag 레이저 ^W 빔을 원형 렌즈를 사용하여 초점을 맞추고 빔을 흑연 타겟 표면에 균일하게 휩쓸어갑니다. 원치 않는 비정질 탄소와 혼합된 나노튜브는 챔버 끝의 냉각된 기판에 수집됩니다. ^[5]

이 두 가지 방법 모두 확장 가능성이 제한적입니다. 고체 흑연은 필요한 탄소를 공급하기 위해 >3000°C에서 증발되어야 하며, 생성된 나노튜브는 얽힌 형태이며, 공정에서 자연적으로 생성되는 비정질 탄소와 풀러렌을 제거하기 위해 광범위한 정제가 필요합니다. ^[6]

화학 기상 증착

화학 기상 증착(CVD)은 탄소 나노튜브의 대량 생산에 가장 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 비교적 낮은 온도에서 결함 없는 CNT를 대량으로 생산할 수 있는 다재다능한 방법입니다.

CVD를 사용하여 CNT를 생산하는 일반화된 공정이 여기에 설명되어 있습니다. 기질 재료(예: 알루미나, 석영)는 촉매 증착을 준비하기 위해 세척됩니다. 다공성 기질이 필요할 수 있으므로 불산/메탄올 용액으로 전기화학적 에칭을 수행할 수 있습니다. 나노튜브는 다공성 기질에서 더 빠른 속도로 성장할 수 있으므로 탄소가 다공성 기질 층을 통해 확산되어 성장하는 나노튜브에 공급될 수 있음을 시사합니다. ^[7] 촉매(예: 철, 니켈)는 열 증발에 의해 기질에 증착됩니다. 용광로는 500-1200°C 사이의 온도로 올라가고 아세틸렌, 에틸렌 또는 일산화탄소와 같은 탄화수소 가스가 반응기에 천천히 펌핑됩니다 ^[8] (그림 1). 이러한 고온에서 탄소는 공급 원료 분자에서 분리되어 촉매로 확산됩니다. 원자는 기판에서 나노튜브 시트로 배열되어 비정질 탄소, 풀러렌 및 촉매 재료와 같은 불순물과 결합됩니다. 대부분의 경우 이러한 불순물은 정화 단계를 사용하여 제거해야 합니다. 산 처리 후 초음파 처리 ^W가 널리 사용됩니다. 이러한 프로세스의 세부 사항은 아래에 설명되어 있습니다.

성장 메커니즘

탄소 나노튜브의 성장 메커니즘은 완전히 이해되지 않았습니다. 탄소 나노튜브 성장에 대한 다양한 모델이 제안되었으며, 고체상 성장과 일치하는 가장 수용 가능한 모델을 여기에서 설명합니다. 작은 탄소 원자는 구형이라고 가정되는 큰 금속 촉매 원자 주위로 확산됩니다. 탄소는 금속의 측면에서 핵생성되어 튜브 구조를 형성합니다(그림 2). 형성 중 촉매 물질의 위치는 금속 원자와 기질 사이의 원자간 힘의 강도에 따라 달라집니다. 금속이 기질에 약하게 결합되어 있으면 나노튜브가 기질에서 수직으로 형성될 때 그대로 유지될 수 있습니다(이 메커니즘은 기저 성장 이라고 함 ). 그렇지 않으면 튜브가 아래로 성장할 때 금속이 팁에서 운반될 수 있습니다( 팁 성장 이라고 함 ). ^[1]

촉매

촉매는 나노튜브가 성장할 수 있는 기반을 제공하며 CVD 합성을 위해 선택된 재료는 생산된 CNT의 수율과 품질을 크게 달라질 수 있습니다. 전통적으로 촉매는 알루미나 또는 실리카와 같은 지지체 재료에 증착된 전이 금속 나노입자(일반적으로 철, 니켈, 몰리브덴)입니다. 그러나 증발 촉매도 사용되어 나노튜브가 기체 상태에서 형성되고 차가운 표면에 응축됩니다. ^[4] 촉매는 바람직하지 않은 비정질 탄소로 코팅되면 비활성화되어 CNT 성장 프로세스가 중단됩니다. 이상적인 촉매 재료는 표면적과 기공 부피(고온에서 소결되어서는 안 되는 특성)가 크고 금속-지지체 상호 작용이 강해야 합니다. ^[6]

CVD로 생산된 탄소 나노튜브의 평균 직경은 촉매 입자의 크기와 직접적으로 관련이 있습니다. 이 관계는 그림 2에 나타난 성장 메커니즘으로 설명할 수 있습니다. 나노튜브는 촉매 표면에 수직으로 성장하는 경향이 있으므로 입자의 직경은 나노튜브의 직경을 결정합니다. ^[8] 따라서 CVD는 탄소 나노튜브의 크기를 직접 제어할 수 있으므로 재료 처리에 적합한 옵션입니다.

탄소 원료

CVD에서 탄소는 탄화수소 가스에 의해 공급됩니다. 분자의 반응성은 사용할 탄화수소를 결정하는 중요한 요소입니다. 반응성은 탄소와 수소 원자 사이의 공유 결합의 강도에 의해 결정됩니다. 즉, 반응성이 더 높은 분자는 구성 요소로 분해되는 데 더 적은 에너지가 필요합니다. 이 분해는 온도를 높여 분자에 결합을 끊는 데 도움이 되는 운동 에너지를 제공하여 달성됩니다. 따라서 에틸렌(C ₂ H ₄ )과 아세틸렌(C ₂ H ₂ )은 일반적으로 메탄과 일산화탄소보다 반응성이 더 높기 때문에 탄소 원료로 선택됩니다. 벤젠, 메탄올 및 에탄올도 다양한 실험에 성공적으로 사용되었습니다. ^[4]

정화

탄소 나노튜브는 다양한 기술을 사용하여 불순물과 촉매 입자에서 분리할 수 있습니다. 가장 일반적인 생산 후 단계는 (1) 분산, 그 다음 (2) 산 환류, 마지막으로 (3) 미세 여과입니다. 분산은 Triton X100(세제의 일종)과 같은 계면활성제로 나노튜브를 초음파 처리하여 수행합니다. 탄소 1g당 0.01ml의 Triton X100과 0.08L의 물 용액을 사용하여 나노튜브를 불순물에서 분리합니다. 산 환류 처리에는 종종 10시간 동안 분산 제품 1g당 0.4L의 질산을 사용하여 수행합니다. 이 단계는 느리기 때문에 생산성을 유지하기 위해 여러 처리 라인이 필요합니다. 여과는 약 20분 동안 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 멤브레인을 통해 수행되지만 원하는 순도를 얻으려면 여러 번 실행해야 할 수 있습니다. 평균적으로 나노튜브 수율의 약 90%는 정제 과정 후에 회수할 수 있습니다. ^[9]

CVD에 의한 정렬된 나노튜브

최근의 발전으로 나노튜브를 질서 있게 합성할 수 있음이 밝혀졌습니다. 촉매는 섀도 마스크 ^W를 통해 패턴으로 다공성 실리콘 기판에 증착할 수 있으므로 나노튜브는 특정 부위에서만 핵을 형성할 수 있습니다. 나노튜브가 촉매 부위에서 수직으로 자라며 각 튜브가 주변 튜브의 반데르발스 힘 ^W 에 의해 지탱되기 때문에 그 결과는 '나노튜브 숲'으로 알려져 있습니다. SWNT의 지시적 성장도 입증되었습니다. 촉매 물질은 실리콘 기둥의 꼭대기에 선택적으로 인쇄되었고, CVD 후 SWNT는 그림 3과 같이 기둥에서 기둥으로 매달려 성장하는 것으로 나타났습니다. ^[6] 제어된 방식으로 탄소 나노튜브를 성장시키는 것은 CNT 기반 나노기술을 효과적으로 생산하기 위해 습득해야 할 필수적인 기술입니다.

CVD 합성의 최적화

CVD가 탄소 나노튜브의 대량 생산에 가장 유망한 것으로 나타나기 때문에 합성 공정의 수율과 에너지 효율성을 개선하기 위한 광범위한 연구가 수행되었습니다. 제조 효율성은 매우 간단한 방법으로 정량화할 수 있습니다.

부가가치 시간은 시장성 있는 제품을 만드는 데 투입된 모든 시간을 포함합니다. 효율성을 높이려면 시간을 보다 생산적으로 사용하거나 전체적으로 더 짧은 시간 내에 프로세스를 완료해야 합니다. 또한 유용한 나노튜브의 수율을 높이면 동일한 시간 동안 제조 프로세스에 더 많은 가치를 더하기 때문에 효율성이 높아집니다. 더 효율적인 프로세스는 폐기물을 덜 발생시키는데, 이는 생산 후 폐기물을 통합하는 데 시간을 투자해야 하기 때문입니다.

확장하여 합성 프로세스의 전체 비용은 효율성이 증가함에 따라 감소합니다. 궁극적인 목표는 비용을 최소화하여 나노튜브를 다양한 응용 분야에서 사용할 수 있도록 하는 것입니다. 이 목표를 달성하기 위해 개발된 가장 유망한 방법 중 몇 가지를 아래에 강조 표시합니다.

물 지원 CVD("초성장")

촉매는 CNT를 핵화하는 능력에 한계가 있습니다. 촉매가 비활성화되는 이유는 시간이 지남에 따라 비정질 탄소가 촉매 주위에 자연스럽게 형성되어 사용 가능한 핵화 사이트를 덮어버리기 때문입니다. 촉매 붕괴 모델은 방사성 붕괴 ^W 모델과 강력한 상관 관계를 보였습니다 . 따라서 설정된 성장 조건에서 숲의 높이 H(t)는 지수적 붕괴로 설명할 수 있습니다.

시간(티)=βτ(1−이자형엑스피(−티/τ)){\displaystyle H(t)=\beta \tau (1-exp(-t/\tau ))}

여기서 β는 초기 성장 속도이고, τ는 촉매 수명이며, βτ는 직관적으로 숲의 최대 높이를 제공합니다. 주변 대기에 소량의 수증기(ppm 범위)를 추가하면 촉매 물질의 수명을 늘릴 수 있습니다. 놀랍게도 이 지수적 감소 모델은 촉매 거동을 매우 정확하게 예측했습니다. 촉매 수명과 숲의 높이는 특정 물-에틸렌 비율에서 최대화될 수 있습니다. 최근 실험에서는 이 최적 비율이 성장 시간과 온도와 무관하다는 것을 보여주는데, 이는 물이 탄소 나노튜브 성장 과정의 근본적인 측면을 변화시키고 있다는 사실을 지적합니다. ^[7]

물의 효과는 잘 이해되지 않지만, 물이 나노튜브를 에칭하지 않고 비정질 탄소를 에칭한다는 가설이 있습니다. 그 효과는 핵형성 부위가 비정질 탄소로부터 자유로워 촉매가 불활성화되지 않고 나노튜브는 영향을 받지 않아 성장이 증가한다는 것입니다(그림 4). 초성장은 밀리미터 범위에서 초순도(순도 99.98%) 수직 정렬 SWNT 숲을 생성했습니다. 이는 정렬된 CNT 합성에서 전례 없는 성과입니다. ^[11]

촉매가 없는 CVD

촉매 물질은 나노튜브 성장을 촉진할 수 있지만, 합성 공정의 마지막에 정제해야 합니다. 놀랍게도 탄소 나노튜브를 생산하는 데 외부 촉매가 반드시 필요하지 않다는 것이 밝혀졌습니다. 이는 정제의 필요성을 없애고 공정의 효율성을 높입니다. Fadour 등은 에칭된 스테인리스 스틸에서 CNT를 성장시키는 간단한 방법을 개발했습니다. 약 700-850 ^o C의 작동 온도에서 이 방법은 전처리된 촉매의 필요성을 없애고 나노튜브를 스틸 기판에 직접 증착하여 합성 효율성을 높이는 데 유망한 것으로 나타났습니다. 공정은 다음과 같이 수행됩니다. 초음파 욕조에서 아세톤으로 30분간 기판 세척, 35-38% 염산에서 기판 에칭, 850 ^o C에서 기판 열처리, 700 ^o C에서 아세틸렌 주입 및 질소 가스에 보관한 다음 냉각합니다. ^[12]

핫 필라멘트 CVD

모든 처리 시스템에서 비효율성의 주요 원인 중 하나는 합성을 위해 높은 온도를 유지해야 하기 때문에 CVD 공정의 작동 온도를 낮추면 에너지 효율성이 크게 향상됩니다. 화학 기상 증착은 가열된 필라멘트(HF-CVD라는 공정)의 도움으로 낮은 온도(~550 ^{o C)에서 시연되었습니다. 필라멘트는 진공에 가까운 분위기에서 약 2000 o} C 로 예열되고 CVD 챔버에서 유입되는 가스를 가열하는 데 사용됩니다. 이 필라멘트를 추가하면 고순도 나노튜브를 합성할 수 있지만 온도를 750 ^o C 이상으로 높이면 원치 않는 비정질 탄소가 증착되는 것으로 나타났습니다. 기존 CVD 공정에 대한 이러한 변경은 합성 효율성을 크게 향상시킬 수 있는 잠재력이 있습니다. ^[13]

플라스마 강화 CVD

탄소 나노튜브의 핵 생성 속도는 유입 가스를 플라즈마 ^W 상으로 이온화함으로써 극적으로 증가시킬 수 있습니다. 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)은 탄소가 더 쉽게 확산되도록 하고 나노튜브의 수율을 증가시킵니다. 플라즈마는 두 단자에 직류를 흘려 생성하거나, 보다 일반적으로 고주파 전류(13.56MHz가 산업 표준)로 와이어 코일을 통해 가스를 여기시켜 생성할 수 있습니다. 플라즈마를 생성하려면 강한 전류가 필요하지만, 용광로의 작동 온도를 절반 이상 낮출 수 있는 것으로 나타났습니다. 동일한 실험에서 전기장을 인가하면 성장하는 나노튜브 사이에 정렬이 발생하고 전기장의 강도는 정렬 정도에 비례한다는 것이 밝혀졌습니다. 또한 NH3가 탄화수소 가스와 함께 펌핑되면 _{나노 튜브 핵 생성 속도가 증가합니다. 이는 NH3 가} -300V 이상의 바이어스 전압에서 비정질 탄소를 가장 강하게 에칭하기 때문입니다 . 이러한 결과는 비교적 낮은 온도에서 정렬된 CNT의 수율을 높여 합성 효율성을 높이는 잘 확립된 방법을 제공하므로 유망합니다. ^[14]

응용 프로그램

탄소 나노튜브가 광범위한 거시적 및 미시적 응용 분야를 가지고 있다는 것은 의심의 여지가 없습니다. 합성 방법이 개선됨에 따라 언젠가 CNT 기술을 구현하기 위한 광범위한 연구가 진행되고 있습니다. 여기서는 몇 가지 흥미로운 응용 분야에 대해 논의합니다.

SWNT-폴리머 태양전지

단일벽 나노튜브는 태양광 산업에서 유망한 미래를 가지고 있으며, 지속 가능하고 효율적인 태양 에너지 시스템에 더 가까이 다가가게 합니다. P3OT 폴리머와 SWNT의 복합재를 사용하면 3세대 박막 태양 전지의 효율을 개선하는 데 도움이 될 수 있다는 것이 입증되었습니다. 나노튜브의 매력은 길이-직경 비율이 높기 때문에 전도성 폴리머에서 엑시톤의 확산을 위한 우수한 경로를 제공한다는 것입니다. 이는 폴리머에 소량의 SWNT를 도핑하면 셀에서 전하 이동과 캐리어 이동성을 개선합니다. 또한 CNT에 고유한 구조적 및 열적 특성을 활용할 수 있습니다. 나노튜브-폴리머 복합재를 사용하면 태양 전지의 인장 강도와 영률을 크게 높일 수 있습니다. 나노튜브의 높은 열 전도도도 매력적인 특성입니다. 이러한 특성은 대규모 태양광 농장을 건설할 때 고려하는 것이 매우 중요하므로 탄소 나노튜브는 차세대 태양 전지의 필수적인 부분이 될 수 있습니다 ^[15]

나노전자공학의 CNT

전자 구조가 더 작아짐에 따라 현재 재료는 나노 스케일 회로에서 사용하기에 너무 비효율적일 것이라는 것이 분명해졌습니다. 예를 들어, 구리는 현재 집적 회로의 상호 연결에 사용되는 재료이지만, 작은 스케일에서는 저항률이 높고 전류 밀도가 낮습니다. 탄소 나노튜브는 높은 전류 전달 용량과 안정적인 구조적 및 열적 특성으로 인해 집적 회로의 상호 연결에 구리를 대체할 수 있는 가능성으로 연구되고 있습니다. ^[16]

또한, 탄소 나노튜브는 전계 효과 트랜지스터의 반도체 채널로 실리콘을 대체하는 데 사용되어 소위 CNT-FET를 만들었습니다. 단일 SWNT를 사용하여 두 개의 주 전극을 연결하여 전자 전달과 장치 안정성을 개선합니다. 트랜지스터가 일상 전자 장치의 기반을 형성함에 따라 CNT는 데이터 전송 속도를 높이고 나노 스케일 전자 구성 요소를 설계할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. ^[17]

CNT 기술의 상업적 구현에 대한 현재의 과제 및 제한

현재 탄소나노튜브 성장 메커니즘은 완전히 이해되지 않았기 때문에 이러한 미세 구조의 합성을 조작하는 것이 어려웠습니다. 사실, 지금까지의 합성 공정은 시행착오를 통해서만 최적화되었습니다. 이러한 성장 메커니즘을 이해하기 위한 연구가 진행 중이지만, 지금까지 탄소나노튜브 기술에 대한 수요는 이를 생산하는 데 관련된 공정을 완전히 이해하는 우리의 능력을 앞지르고 있습니다.

또 다른 장애물은 탄소나노튜브가 많은 응용 분야에 큰 잠재력을 가지고 있지만, 현재 시중에 나와 있는 모든 재료를 대체할 만큼 충분히 많은 양으로, 충분히 낮은 비용으로 생산되지 않았다는 것입니다. 최근 분석에 따르면, SWNT를 생산하는 대량 생산 비용은 그램당 약 1,706달러입니다. 이 비용의 상당 부분(약 80%)은 합성 단계에서만 발생합니다(그림 5). 분명히, CNT가 실행 가능한 기술이 되기 전에 합성 공정의 효율성을 개선해야 합니다. ^[9] MWNT는 합성 비용이 저렴하지만, 고순도, 고품질 나노튜브의 톤당 양은 아직 생산되지 않았습니다. 현재의 장애물에도 불구하고, 연구를 통해 탄소나노튜브 기술의 광범위한 구현이 현실에 한 걸음 더 다가가고 있습니다.

참고문헌

페이지 데이터

의 일부	MECH370
키워드	나노기술 , 재료가공 , 나노튜브
지속가능개발목표	SDG09 산업 혁신 및 인프라
저자	다니엘 파즈-솔단
특허	저작권: CC-BY-SA-3.0
조직	퀸스 대학교
언어	영어 (en)
번역	한국인
관련된	1 하위 페이지 , 5 페이지 여기 링크
영향	729 페이지 뷰 ( 더 보기 )
생성됨	2009년 11월 5일 Daniel Paz-Soldan 작성
마지막 수정	2024년 8월 21일 Irene Delgado 작성
인용하다	Daniel Paz-Soldan (2009–2024). "탄소 나노튜브의 합성" . Appropedia . 2024년 11월 15일 검색됨 .
API 쿼리	기본 , 의미론적 , html , 파일 , 더 많은