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美브라운대 김경석 교수-KIST 이광렬 박사팀

(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 국내외 한국 과학자들이 미래의 신소재로 주목받는 탄소나노튜브를 초음파를 이용해 정확히 자를 수 있는 메커니즘을 밝혀내 고정밀·고품질 탄소나노튜브 생산 가능성을 높였다.

미국 브라운대 김경석 교수와 한국과학기술연구원(KIST. 원장 문길주) 계산과학센터 이광렬 박사팀은 4일 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)가 물속에서 초음파에 의해 절단되는 과정을 컴퓨터 시뮬레이션과 실험을 통해 규명했다고 밝혔다.

최근 영국 '왕립학술원회보 A(Proceedings of the Royal Society A)'에 발표된 이 연구결과는 탄소나노튜브의 정밀도와 품질 향상에 기여, 전자공학과 바이오의학, 에너지, 광학 등 다양한 분야에서 탄소나노튜브의 활용도를 더욱 높일 것으로 기대된다.

탄소나노튜브는 탄소 원자가 6각형 벌집 모양으로 결합, 빨대 같은 형태를 이루는 물질로 물리적, 전기적 특성이 우수해 꿈의 신소재로 주목받고 있다.

그러나 탄소나노튜브는 굵기가 머리카락의 5만분의 1정도인 수㎚(나노미터:10억분의 1ｍ)에 불과해 원하는 구조나 특성, 길이로 만드는 게 현재 기술로는 사실상 어렵다.

탄소나노튜브를 물속에 담그고 초음파를 가하면 무작위로 끊어진다는 것은 잘 알려져 있으며, 과학자들은 이런 방법으로 원하는 크기의 탄소나노튜브를 얻어 연구에 활용하고 있다.

그러나 초음파가 탄소나노튜브를 어떻게 자르는지는 아직 정확히 밝혀지지 않았다. 초음파를 가하면 초미세 거품이 형성되고 이 거품이 붕괴하면서 온도가 5천℃ 가까이 치솟고 엄청난 압축현상이 일어나면서 탄소나노튜브가 끊어지는 것으로 추정돼 왔다.

일부 학자들은 높은 온도 때문에 탄소나노튜브가 분해되는 것으로 보고 있으며 독일의 한 연구진은 거품 붕괴 때 탄소나노튜브가 양쪽으로 당겨지면서 중간이 끊어진다는 가설을 내놓았다.

< 사진설명 : 초미세 거품이 붕괴할 때 탄소나노튜브가 압축되면서 중간 부분이 휘어지고 탄소 원자들이 튕겨나가면서 끊어지는 모습. 브라운대 김경석 교수 제공 >

그러나 연구진은 이 연구에서 컴퓨터 시뮬레이션과 실험을 통해 탄소나노튜브가 높은 온도에 녹거나 양쪽으로 당겨져서 끊기는 게 아니라 거품 붕괴 때 탄소나노튜브가 압축되면서 중간이 구겨지듯 휘어지며 끊어진다는 사실을 밝혀냈다.

이 박사는 "실험결과 거품 붕괴 압력이 탄소나노튜브에 가해지면 빨대를 양끝에서 가운데로 밀 때처럼 중간이 90도 각도로 꺾이고 힘이 집중되는 곳의 탄소 원자가 지퍼가 풀리 듯 튕겨져나가면서 탄소나노튜브가 끊어진다"고 설명했다.

또 탄소나노튜브가 압축되는 과정에서 곳곳에 비틀린 흔적 같은 구조적 변형이 일어나는 것으로 확인됐으며 이런 변형은 향후 탄소나노튜브를 전자소자 등으로 활용할 때 원하는 특성을 부여하는 데 활용될 수 있다고 연구진을 밝혔다.

김 교수는 "지금까지 어떤 물질에서도 이렇게 압축에 의해 원자가 튕겨나가면서 부서지는 현상은 관찰된 적이 없었다"며 "이 연구결과를 활용하면 탄소나노튜브의 지름과 절단 속도 등을 원하는 대로 설계할 수 있을 것"이라고 말했다.

scitech@yna.co.kr

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