Carbon based materials

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1 Carbon based materials
전기적 특성을 나타냄 관련내용 교과서 8, 17장

2 수업내용 탄소나노튜브에 대한 기본적인 지식을 가지게 된다. 탄소나노튜브의 다양한 특성을 알게 된다. 탄소나노튜브의 다양한 합성법을 이해하게 된다. 탄소나노튜브를 이용한 조작에 대해 이해하게 된다. 탄소나노튜브 의 분산과 응용기술에 대한 이해를 한다.

3 목 차 개요 CNT의 특성 전기적 특성 기계적 특성 CNT 조작 CNT 분산에 의한 응용 다음주 슬라이드 파일

4 개 요 탄소 나노 튜브(carbon nanotube, CNT)란?
개 요 나노재료 이용은 크기효과를 이용하는 물질 과 +를 이용하는 물질로 구분. 나노튜브는 대표적인 +를 이용하는 물질이다. 탄소 나노 튜브(carbon nanotube, CNT)란? 지구상에 다량으로 존재하는 탄소로 이루어진 탄소동소체로서 하나의 탄소가 다른 탄소 원자와 육각형 벌집 무늬로 결합되어 튜브 형태를 이루고 있는 물질. CNT에서 하나의 탄소 원자는 3개의 다른 원자와 sp2 결합의 육각형 벌집 무늬를 이루며, 이 튜브의 직경이 대략 수 nm 정도로 극히 작기 때문에 나노 튜브라고 부르게 됨. 탄소 나노 튜브의 분자 구조 모델 (SWNT)

5 CNT의 발전 단계 1985년 Kroto와 Smalley가 탄소 동소체(allotrope)의 하나인 Fullerene(탄소 원자 60개가 모인 것:C60)을 처음으로 발견 1991년 일본 NEC 부설 연구소의 Iijima 박사가 전기방전법을 사용하여 흑연 음극상에 형성시킨 탄소덩어리의 TEM 분석 과정에서 가늘고 긴 대롱 모양의 CNT 발견 1992년 Ebbesen, Ajayan 등은 전기방전법을 사용하여 CNT를 합성할 때 용기내의 헬륨 압력을 높일 경우 흑연 음극상에서 CNT의 합성수율이 크게 증가한다는 사실을 발표 1993년 IBM의 Bethune 등과 NEC의 Iijima 등이 전기방전법을 사용하여 직경이 1nm 수준인 단일 벽 나노 튜브(Single-Walled Nano Tube, SWNT) 합성을 발표.

6 1996년 Smalley 등은 레이저 증착법으로 직경이 균일한 SWNT인 다발형 나노 튜브(rope nanotube)를 고수율로 성장 시키는 방법을 발표
1998년 Ren 등이 플라즈마 화학 기상 증착법을 사용하여 유리 기판위에 수직 배향된 고순도의 CNT를 합성 시킴 그 이후로 CNT 합성 및 응용에 관한 연구가 국내외적으로 많이 이루어 지고 있으며, 국내에서는 일진 나노텍㈜이 CNT의 대량 생산 체제를 구축하고 있음.

7 탄소 결합체의 종류 공유결합수:3개, 포화: 4개 SP3혼성(절연체) 전도체 나노 크기의 직경으로 둥글게 말린 상태

8 Graphene 구조의 변형 C60 CNT Graphite

9 유기화학복습 혼성화 궤도 정리 혼성궤도 결합 분자구조 sp3(s:1개 p:3개) 단일결합 정사면체 sp2(s:1개 p:2개) 이중결합 평면 sp(s:1개 p:1개) 삼중결합 직선

10 C60 - 1985년 리처드 스몰리, 보러트 컬, 헤럴드 크로토 등. - 탄소원자 60개의 오각형과 육각형 합성 구조.
- 같은 모양의 돔건축물을 설계한 (몬트리올 expo67건물) Buckminster Fuller의 이름에서 유래. nickname으로 BuckyBalls이라고도 불리워 짐.

11 Buckminsterfullerene
C₆₀ C₇₀ C₇₄ C₇₆ C₇₈ C₈₂C₈₄etc. C₆₀이 가장 많은 양이 얻어짐. 1g=500￥ C₇₆

12 Buckyball의 특성 비극성의 분자 용액제조시 벤젠, 톨루엔, 이황화 탄소 등을 용매로 사용.
전자 수용 용이(SP2혼성결합, 탄소이중결합). 구형구조로 인해 충격에 강함. 큰 내부 공간(주기율표 안의 어느 원소라도 수용할 수 있음). 알칼리 금속이 혼입되는 경우 초전도 현상을 보임.

13 Graphene Flat monolayer of C atoms into a honeycomb lattice.
The thinnest flake can be get by repeating peeling with adhesive tape. graphene의 연속된 구조가 graphite(흑연)이다.

14 투명한 금속 Graphene소개 또는 Graphene.pdf참고

15 탄소 나노 튜브 형태 탄소 나노 튜브는 벽을 이루는 결합 수에 튜브의 형태가 결정됨

16 (a) MWNT 구조 (c) SWNT 구조 (b), (d) SWNT의 다발 형태

17 레이저 증착법 (Laser Vaporization) 플라즈마 화학 기상 증착법 (Plasma Enhanced CVD)
5. CNT의 합성법 전기 방전법 (Arc Discharge) 레이저 증착법 (Laser Vaporization) 플라즈마 화학 기상 증착법 (Plasma Enhanced CVD) 열 화학 기상 증착법 (Thermal CVD) 기상 합성법 (Vapor Phase Growth) 전기 분해 방법 Flame 합성 방법

18 Electric arc(=스파크) Process
Low temperature 비활성가스 분위기 탄소전극 전자축적 가속전압: VDC, 전극간 거리:1 mm이내, 전원으로 A의 전류가 흐를 때 전기방전(spark)이 일어난다. 본 방법으로 제작한 나노튜브는 MWNT이지만 양극 탄소막대에 Co, Ni등의 금속을 배합하면, SWNT도 제작 가능하다. 본 방법은 단점이 많아 현재 slide 16장의 다른 방법에 의하여 제작이 되고 있다.

19 현존하는 물질 중 결함이 거의 없는 완벽한 신소재
CNT의 장점 우수한 기계적 강도를 가짐 전기적 선택성 CNT의 직경 및 감긴 형태에 따라서 전기적 성질을 조절할 수 있음. 뛰어난 전계 방출 특성(display 특성:Next page) 기존의 실리콘 칩이나 DLC(diamond like carbon) 박막 또는 탄소 박막에서보다 배 이상의 높은 전계 전자 방출 특성을 나타냄.  FED에 사용 (다음페이지) 고효율의 수소 저장 매체 특성: CNT의 빈 공간을 이용하여 수소를 저장하면 저장용량이 증가됨(연료전지). 현존하는 물질 중 결함이 거의 없는 완벽한 신소재

20 참고: Field Emission Display
이 기술은 근본적으로 박형 CRT(cathode-ray tube, 구형모니터)라 할 수 있다. 픽셀 당 천 개에 이르는 캐소드(음극, 에미터)를 가짐으로서 CRT에서와 같은 단일 주사 전자 빔의 긴 방출거리(throw distance)를 없애준다. CRT의 장점들을 모두 가지고 있으면서도 편향 시스템으로 인한 큰 부피와 전력 비효율성, 그리고 섀도우 마스크를 가지지 않는다. CRT가 하나의 전자총으로 구동되는 반면에 FED에 있어서는 각각의 픽셀이 별도의 전자총들을 갖는데 이들은 마이크로 팁의 배열로 구성된다. FED는 구조가 단순하고, 구동전압이 비교적 작고, 일정한 밝기가 얻어지는 특징이 있다. 아직 개발 단계이며, 제품화를 향한 개발이 진전되었다.

21 참고:: CRT 음극선관(Cathode-Ray Tube): 음극이 되는 기체를 전극과 함께 봉입한 유리관. CRT의 큰 무게와 부피는 음극선관 때문이다. 전자총(Electronic Gun): 화면을 향해 전자빔을 송출하는 장치. 3개의 빔이 각각 적색, 녹색, 청색 형광점으로 전자를 송출한다. 전자빔(Electronic Beams): 전자총에서 나오는 속도가 거의 균일한 전자의 흐름. 파장이 극히 짧다. 편향 요크(Deflection Yoke): 전자기력 발생 장치. 전자기력을 미세하고 정교하게 조정하여 전자빔을 휘게 한다. 형광점(Phosphor Dot): 작은 형광 입자. 적색점, 녹색점, 청색점으로 이루어져 있으며 전자빔이 닿으면 빛을 발생한다. 전자빔의 종류과 세기에 따라 발색 정도가 달라진다. 섀도 마스크(Shadow Mask): 형광면 앞에 위치한 얇은 금속판. 전자빔이 형광 도트에 정확하게 입사하도록 하는 역할을 한다. 트라이어드(Triad): 인접한 적, 녹, 청 형광점이 조화되어 색상을 만듦. 픽셀보다 작은 단위. 픽셀(Pixel): 몇 개의 트라이어드가 모여서 픽셀이 된다. LCD와는 상이한 구조를 띄는데, 이는 가변 해상도를 가지는 디스플레이의 특징이다.

22 탄소 나노 튜브의 응용 전자 방출원 (electron emitter) 리튬 이온 2차 전지 전극
VFM (vacuum fluorescent display) 의·공학용 미세 부품 백색 광원 (white light source) 단전자 소자 FED (field emission display) 고기능 복합체

23 CNT의 특성 전기적 특성 그라파이트 면이 말린 각도 및 형태에 따라서 전기적으로 도체 또는 반도체의 특성을 보임.
전자 전도 영역 전자 집합체 Bandgap 금속: 전도 영역으로 전자의 이동이 수월 하여 전기 잘 통함. 반도체: 전자가 이동하기 위해선 외부에서 에너지 를 가해줘야 함. (BandGap에너지라 불림) 그래파이트: 반금속으로 외부 조건 없이도 약간의 전자는 이동 할 수 있음 .

24 CNT의 전기적 특성을 구분하는 구조적 특성  n,m의 규정
튜브가 말린 형태(vector크기)에 따라 금속성과 반도체성질로 구분 전기적 특성의 구별 Rule: 비대칭성 (n-m)/3 대칭성 정수: 금속성 소수: 반도체 예. Armchair형 (10,10)은 금속성. Zigzag(25,0)는 반도체. 또한, Armchair형인지 zigzag형인지에 따라, CNT의 두께에 따라 전기적 특성이 다르다. 교과서 그림 8-2(p 210)  Armchair(n=m), zigzag(m=0), 이외에는 키랄성

25 Armchair vs ZigZag 또한 SWNT의 직경과도 관련이 있다. 직경이 크면 반도체가 되기 쉽다. 최근 SWCNT의 전기적 특성에 대한 다른 이론(성장 damage이론)도 제시 되고 있지만 수업에서 다룬 내용이 정설입니다.

26 네덜란드 Dekker 박사의 CNT의 전기적 특성 실험
전기적 특성의 실험적인 검토 네덜란드 Dekker 박사의 CNT의 전기적 특성 실험 게이트 전압에 따라 다른 전류-전압 특성을 나타내는 두 종류의 CNT를 발견

27 전류-전압 특성 그래프 전류-전압 관계가 선형적인 금속성의 CNT 전류-전압 관계가 비선형적인 반도체성의 CNT 선형적 관계
비선형적 관계 전류-전압 관계가 선형적인 금속성의 CNT 전류-전압 관계가 비선형적인 반도체성의 CNT

28 전기적특성에 대한 논란 BRIC기사 전문

29 기계적 특성 CNT의 탄성 계수는 굉장히 큼.(철 합금의 탄성계수는 200GPa)
인장력 면에서 우수한 기계적 성질을 나타냄.(AFM 팁으로 이용) 철 합금: 200GPa 일반적 금속과 같다  (전기저항율:전도도의 역수) Ag: 315 W/(m·K) 띠간격이란 반도체, 절연체의 띠구조에서 전자에 점유된 가장 높은 에너지띠 (원자가띠)의 맨위부터 가장 낮은 공간띠 (전도띠)의 바닥까지 사이의 에너지 준위나 그 에너지 차이를 말한다. 흔히 밴드갭 (band gap)이라고도 한다 band gap에너지의 eV란 운동에너지의 단위로 1 eV란 전자1개가 1V의 전압차를 거슬러 운동하는데 필요한 에너지를 뜻한다. Band gap이 0.5 eV란 말은 1.1eV에 비하여 1/2의 전압으로 이운동이 가능하여 반도체에서 도체로 변화할 수 있음을 나타낸다 Fourier Law: k(열전도상수)값의 정의: q=-kA T/x

30 Si 경우 1.1 eV에 해당하는 에너지를 주면 전도영역으로 전자가 이동하여 전류가 흐르게 된다
Band Gap 참고 전도 영역 전자 집합체 전자 Si 경우 1.1 eV에 해당하는 에너지를 주면 전도영역으로 전자가 이동하여 전류가 흐르게 된다 ‘eV’(전자전압) 단위를 정복하자(천천히 읽어보고 개념을 정립바람). ‘eV’는 고체 물성(반도체)에서 흔히 사용하는 에너지 단위이다. 볼트라는 말이 들어가지만 전압 단위가 아니다. 물리학에서 말하는 기본적인 에너지 단위는 Joule[J] 과 erg 이다. 1 Joule은 1 Newton[N]의 힘으로 1m 를 움직일 때 드는 에너지 이며 1 J = 107 erg 이다. 1 Joule은 열에너지로 환산하면 0.24 cal에 해당한다. 1 Joule은 전기 에너지로 환산하면 1 Watt [W]의 전력을 1초간 사용한 에너지 이며 1 W 는 1 Volt [V] 전압에 1 Ampere [A]의 전류가 흐를때의 일률이므로 1 Joule은 1 V 전압에 1 A 가 1초간 흐를 때 소비한 에너지 이며 1 A 란 1 Coulomb [C]의 전하량이 1초 동안 흐르는 경우를 의미하므로 1 A가 1초 동안 흐르면 1 C의 전하량이 흐른 것이므로 1 Joule은 1 V 전압에 1 C 의 전하량이 흐르는 에너지 이다. 전자 하나는 -1.6 x C 의 전하량을 지니고 있으므로 전자 하나가 1 V 의 전압차이를 움직이면 잃거나 얻게되는 에너지는 1.6 x Joule 이 되고 이 양을 1 eV라고 정의 한다. 따라서 1 eV = 1.6 x Joule 이 되는 것이다.

31 Band Gap Energy란: 반도체에서 절연체가 도체가 되기 위해 필요한 에너지
필기하여 설명 2011삼성전자 화공과 응시생 면접문제라고 함.

32 열전도도 참고: 열전도도는 밀도의 함수이다. 앞 페이지(27)는 315라 표기

33 큰 탄성계수로 인하여 힘을 제거하면 다시 원래의 상태로 돌아옴
금속은 불가능 인장력 및 압축력이 크다 CNT의 측면은 유연성이 높아서 힘을 가하면 손상 없이 잘 휘어짐. 큰 탄성계수로 인하여 힘을 제거하면 다시 원래의 상태로 돌아옴 탄소 나노 튜브의 유연성 자동차에 사용한다면 어떤 효과가 있을까?

34 참고: 나노와이어 금속 와이어 2. CNT 와이어 최근에 250nm 수준의 금속 와이어 생산 가능
금속 와이어의 직경 감소에 수반되는 문제점 장치에 의해 발생하는 열을 제거할 방법이 없음. 전자의 흐름이 금속 와이어 원자보다 강해짐에 따라 와이어가 끊어짐. 2. CNT 와이어 열에 강하므로 집적도가 높은 장치라도 문제가 되지 않음. 금속에 비해 강한 원자 결합을 하므로 전자에 의해 끊어지지 않음. ㎠당 10억 암페어 전류를 흘려 보낼 수 있음.

35 3. 나노 와이어의 사용 탄소 나노 튜브 와이어를 사용함으로써 4개의 따로 떨어져 있는 전극을 연결할 수 있음.
나노 회로 탄소 나노 튜브 와이어를 사용함으로써 4개의 따로 떨어져 있는 전극을 연결할 수 있음.