[한국목재신문=한국목재신문 편집국]

7.10 카본 나노튜브(Carbon nanotubes)

고분자의 난연제로 가장 많이 사용되는 나노 섬유상 재료는 카본 나노튜브(CNT, carbon nanotube)이다. 탄소나노튜브는 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인 풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것：C60)을 처음으로 발견한 이후, 1991년 일본전기회사(NEC) 부설 연구소의 飯島가 전기방전시 흑연 음극상에 형성된 탄소 덩어리를 투과 전자 현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여 네이처지에 처음으로 발표했다.

이후 KIST의 이재갑은 단일벽탄소나 노튜브(SWNT)는 리본상 그래핀이 나선형으로 성장하고, 다중벽탄소나노튜브 (MWNT)는 리본상 흑연이 나선형으로 성장하여, 외견상 튜브처럼 보임을 고해상 도투과전자현미경(HRTEM), 원자현미경 (AFM) 관찰, X-ray분석 및 형성에너지 계산을 통해 밝혔다. 카본 나노튜브는 탄소로 만들어진 6각 고리의 네트워크(그래펜 쉬트)가 단층 또는 다층의 동축관상(同軸管状)으로 구성된 물질로서 풀러렌의 일종으로 분류되기도 한다. 이의 제조방법은 전기 방전법(Arc Discharge), 레이저 증착법(Laser Vaporization), 플라즈마 화학 기상 증착법(Plasma Enhanced CVD), 열화학 기상 증착법(Thermal CVD), 기상 합성법(Vapor Phase Growth) 등이 있다.

탄소나노튜브는 2가지 종류가 있는데 그림 92에서 보는 바와 같이 단층의 것은 단일벽 탄소나노튜브(SWNT, single-walled nanotubes), 다층인 것을 다중벽 탄소나노 튜브(MWNT, multi-walled nanotubes) 이라고 한다.

탄소 나노튜브는 영상비(aspect ratio)가 높아 다른 난연제에 비하여 소량을 첨가하는 것으로도 기계적 특성, 유동학적 특성이나 난연성이 나타난다. 또 CNT는 저농도로 난연성이 크게 증진되기 위해서는 분산이 중요하다. 가시와키(Kashiwagi)등은 PMMA의 나노 복합체를 만들어서 난연성을 측정한 결과 그림 93과 같은 결과를 얻었다.

그림 93에서 보면 SWNT 0.5% 첨가만으로도 HRR이 뚜렷하게 저하되는 것을 볼 수 있는데 분산이 불량한 것은 무첨가보다 조금 낮아지는 효과를 나타내지만 분산이 양호한 상태에서는 HRR이 뚜렷하게 저하 되는 것을 볼 수 있다. 또 첨가량은 0.5%가 최적임을 알 수 있다. 그 이유로는 그림 94와 같이 설명이 가능하다.