○그래핀

그래핀은 탄소원자로 이루어진 얇은 막이다.

얇고 가벼우며 내구성이 좋고 독특한 물리적 화학적 성질 때문에 활용 범위가 넓다. 높은 전성, 전자 이동도, 열 전도도, 큰 영계수를 가지고 있다. 또한 한 층이기 때문에 가시광선에 대한 흡수량이 적다. 탄성도 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않는다.

이런 특징들로 그래핀은 전도성 소재와 필름재 등을 대체할 가능성이 있다. 가볍고 내구성이 강해 비행기나 자동차, 건축자재 등에 사용되고 강도가 커서 섬유를 만든다면 가볍고 안전한 전투복과 방탄복을 만들 수 있다. 또한 태양 전지, 광학필터 및 전자차폐제, 터치스크린 등에 사용될 수 있어서 핵심 소재로서 주목받고 있다.

원소기호 Nd

원자량 144.242g/mol

발견자 벨스바흐(오스트리아, 1885)

전자배치 [Xe]4f46s2

실온상태 고체

녹는점 1024 ℃

끓는점 3074 ℃

밀도 7.01 g/cm³

전기음성도 1.14

존재비 지각 41.5ppm

산화상태 2, 3, 4

천연 동위원소 수 7: 142Nd(27.2%), 143Nd(12.2%), 144Nd(23.8%), 145Nd(8.3%), 146Nd(17.2%), 148Nd(5.7%), 150Nd(5.6%)

원소명 어원 [그리스어]neos(새로운) didymos(쌍둥이)

겉보기 및 특성 무른 은색 금속.

생산 또는 합성 모나자이트와 희토류광에서 추출 분리.광석에서 경 희토류 원소의 10~18%차지.

주요 용도 네오디뮴 자석(가장 강한 영구 자석), 고출력 레이저, 광 변색 유리 등.

그래핀

[ graphene ]

탄소 동소체 중 하나인 그래핀(graphene)에 있어서 탄소 원자들은 육각형의 꼭짓점에 존재하며(sp2 결합) 넓게 퍼진 육각형 벌집 모양의 2차원 평면 결정 구조를 이룬다. 그래핀은 원자 한 개 두께로 이루어진 막으로 안정적인 구조로 존재한다. 그래핀의 두께는 0.2nm 정도이지만 물리적 화학적 안정성이 높다.1)

[네이버 지식백과] 그래핀 [graphene] (화학백과)

그래핀은 얇고 가벼우면서 내구성이 좋고, 독특한 물리적 화학적 성질 때문에 활용 범위가 넓다. 그래핀은 매우 높은 전성, 전자 이동도4)5), 높은 열 전도도6), 큰 영계수(Young coefficient)7)를 가지고 있으며 이론적 비 표면적도 크다. 또한 한 층이기 때문에 가시광선에 대한 흡수량이 적어 550nm에서 투과율이 97.7%이다.8)

그래핀을 다른 물질과 비교해보면, 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체인 단결정 규소보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있다. 강도는 강철보다 200배 이상 강하고, 다이아몬드보다 2배 이상 열 전도성이 높으며, 탄성도 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않는다.

상어의 피부에는 비늘이 있습니다.  현미경으로 확대해보면 지느러미 부분에 리블렛이라는 갈비뼈 모양의 미세돌기가 있습니다. 과학자들은 상어 지느러미에 있는 미세돌기가 마찰 저항을 감소시킨다는 사실을 알아냈습니다. 이 미세돌기가 물과 충돌하며 만들어내는 작은 소용돌이 들이 표면을 흐르고 지나가는 큰 물줄기를 막아주는 코팅제 역할을 하여 표면마찰력을 줄여주기 때문입니다.  우리는 상식적으로 매끄러운 면이 저항이 가장 적다고 생각하는데 이를 뒤엎는 결과가 나온 것입니다. 
가장 잘 알려진 상어비늘의 적용 사례는 수영복입니다 . 수영선수들이 물의 저항을 덜 받기 위해서 리블렛이 있는 전신 수영복을 입고 대회에 출전하여 3관왕에 올랐습니다. 하지만 지금은 이 수영복이 지나치게 많은 신기록을 낸다는 이유로 국제 대회에서 금지하고 있다고 합니다. 
https://youtu.be/6oN1-NCNm78

출처
[네이버 지식백과] I am Superconductor! (과학선생님도 궁금한 101가지 과학질문사전, 2011. 7. 30., 의정부과학교사모임)
[네이버 지식백과] 초전도체 [superconductor, 超傳導體] (두산백과)

 

(특히 접착기능은 어느정도 흉내낼 수 있으나, 도마뱀처럼 수십번을 다시 떼어내도 기능이 변하지 않는 기술은 불가능하다고 합니다)

 

그리고 여러 과학자들의 끈질긴 연구로 게코도마뱀의 발바닥 접착력이 분리되는 매카니즘은 이해하게 되었는데 메카니즘은 의외로 간단하다고 합니다.

 

 발바닥에서 접착력을 없애고 신속히 분리할 경우에는 발바닥의 미세한 강모(센텔 setale)를 접착부분의 마찰력에 부합하게 아래 그림처럼 생긴 강모를 정확한 각도로 오무렸다 폈다를 하므로써, 표면과의 접착력의 크기에 절대적인 영향을 미치는 표면과의 틈새가 벌어지게 하여 반데르발스의 힘의 크기를 조절하게 된다고 합니다. 그런데 발바닥의 강모의 운동은 무려 1000분지 15초 안에 빠르게 반응하여 그만큼 발바닥이 쉽게 떼어지게 하거나 붙게 한다고 합니다.

벽에 붙어 이동가능한 로봇이 발명됨.

반도체

반도체는 어떤 특별한 조건하에서만 전기가 통하는 물질로, 필요에 따라 전류를 조절하는데 사용된다. 반도체에 가해진 전압이나 열, 조사된 빛의 파장에 따라서 전기전도도 값이 변화된다. 반도체의 전기전도도 값은 절연체의 값보다는 크고, 도체의 값보다는 작다. 온도가 증가함에 따라 도체, 즉 금속의 전기전도도는 감소하는데 비해 반도체의 전기전도도는 증가하는 특성을 보인다.

반도체 물질의 특성은 더해 준 불순물이나 첨가에 따라 달라진다. 이러한 특성으로 인해 반도체는 현대 과학기술 문명의 중심이 되는 전기전자산업에서 가장 핵심적인 요소를 구성하고 있는데, 주로 실리콘(Si)이 반도체 물질로 사용되고 있다. 따라서, 전자산업을 실리콘산업(silicon industry)이라고도 하고, 실리콘산업 관련 회사가 모여있는 미국 캘리포니아 주의 산호세(San Jose) 지역을 실리콘밸리(Silicon Valley)라고도 부른다. 

반도체는 우리가 사용하는 휴대폰 등등.. 많은 전자기기에 사용되고 있다.

 

초전도 전이 온도(superconducting transition temperature, Tc)라고 하는 특정 온도 이하에서 모든 전기 저항을 상실하는 물질을 초전도체(superconductor)라고 하며, 이 현상은 1911년에 네덜란드의 물리학자 오너스(H. K. Onnes)에 의해서 처음으로 발견되었다. 일반적으로 구리나 은과 같은 금속성 도체(metallic conductor)의 전기 저항은 온도가 낮아짐에 따라 점차 감소한다. 그러나 초전도체의 경우에는 Tc 이하로 냉각되면 갑자기 저항이 0인 완전 도체(perfect conductor)가 되고, 한 번 발생한 전류는 에너지 손실 없이 무한히 흐르며, 특징적으로 외부의 자기장(magnetic field)을 배척하는 마이스너 효과(Meissner effect)가 나타난다.

1986년에 페로브스카이트(perovskite) 구조를 갖는 몇 가지 구리 산화물 세라믹(ceramic) 물질의 Tc가 90K(-183℃) 이상임이 밝혀졌는데, 이러한 물질을 고온 초전도체(high-temperature superconductor)라고 부른다. 이 물질의 발견은 지난 30년 동안 가장 중요한 과학 발전 중의 하나로서, 초전도체는 화학, 물리, 재료 과학 분야에서 수많은 연구를 촉진해 왔으며, 향후 초고속 컴퓨터, 자기 부상 열차, 에너지 손실 없이 송전하는 전력선 개발을 이끌어 갈 것으로 기대되고 있다.

-탄소 나노튜브-

탄소 나노튜브(carbon nanotube, CNT)는 원통형 모양의 나노 구조를 지니는 탄소의 동소체이다. 탄소 나노튜브는 1991년 일본 전기 회사(NEC) 부설연구소의 이이지마(Iijima) 박사가 전기 방전법에 의해 풀러렌(fullerene)을 합성하면서 흑연 음극상에 형성된 탄소 물질을 투과 전자 현미경으로 분석하는 과정에서 발견되었다. 이이지마 박사와 미국 IBM 연구소의 베쑨(Bethune) 등이 전기 방전 시에 Fe, Ni, Co등과 같은 전이 금속을 사용하는 경우, 가장 기본적인 구조인 단일벽 탄소 나노튜브(single-wall carbon nanotube; SWNT)가 만들어짐을 발견하였다.

나노튜브는 원통형 풀러렌 계열의 구조를 지니며, 그래핀이라는 탄소 원자 한 층으로 이루어진 막을 벽으로 하며 길고 속이 빈 튜브 모양으로 만들어졌기 때문에 탄소 나노튜브라는 이름이 붙었다. 그래핀을 둥그렇게 마는 각도에 따라 다른 나노튜브가 만들어질 수 있는데, 이렇게 말리는 각도와 지름에 의해 금속이 될 수도 있고 반도체가 될 수도 있다.

나노튜브는 단일벽 나노튜브와 다중벽 나노튜브(multi-wall carbon nanotube; MWNT)로 나눌 수 있다. 나노튜브는 반데르발스 힘에 의해 여러 가닥이 뭉쳐진 다발형 나노튜브(rope nanotube) 형태로 정렬되는 경우가 많다. 이후, 1994년에 아자얀(Ajayan) 등이 CNT를 첨가제로 사용한 고분자 나노 복합재료를 최초로 보고하였다. 탄소 나노튜브는 높은 유연성(high flexibility)을 가지고 있어서 휘어졌다가 원상복구되기 쉽고, 낮은 중량 밀도(low mass density)를 가지며, 직경이 나노 크기인 반면에 길이는 수 μm에서 길게는 수 mm까지 될 수 있기 때문에 길이:직경비(length/diameter ratio) 즉 종횡비(aspect ratio)가 매우 크다. 탄소 나노튜브의 종횡비는 다른 물질보다 훨씬 큰 132,000,000의 값을 가진다. 탄소 나노튜브의 종횡비는 고분자 나노 복합재료에 첨가제로 사용되는 카본블랙(carbon black), 실리카(silica), 클레이(clay) 등과 같은 기존의 첨가제 재료의 종횡비에 비해 매우 큰 값을 보이는 점이 가장 구별되는 특징이다.

탄소 나노튜브는 기계적, 전기적 그리고 열적 특성이 매우 우수하며 이로 인해 나노 복합재료 제조 분야에서 기존의 첨가제를 대체할 수 있는 혁신적인 물질로 여겨지고 있다. 나노튜브의 화학 결합은 흑연과 같은 sp2 결합만으로 구성된다. sp2 결합은 알케인이나 다이아몬드에서 볼 수 있는 sp3 결합보다 강하며, 탄소 나노튜브의 강도가 매우 높은 것도 이 때문이다.

그래핀은 얇고 가벼우면서 내구성이 좋고, 독특한 물리적 화학적 성질 때문에 활용 범위가 넓다. 그래핀은 매우 높은 전성, 전자 이동도, 높은 열 전도도, 큰 영계수(Young coefficient)를 가지고 있으며 이론적 비 표면적도 크다. 또한 한 층이기 때문에 가시광선에 대한 흡수량이 적어 550nm에서 투과율이 97.7%이다.

그래핀을 다른 물질과 비교해보면, 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체인 단결정 규소보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있다. 강도는 강철보다 200배 이상 강하고, 다이아몬드보다 2배 이상 열 전도성이 높으며, 탄성도 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않는다.

디스플레이 및 태양전지
PDP 광학필터 및 터치스크린 등에 활용할 수 있다.

[네이버 지식백과] 그래핀 [graphene] (화학백과)

초전도체는 20K인 영하 253℃ 밑으로 내려가야 초전도 현상이 일어나게 되어서 낮은 온도를 계속해서 유지를 해야 하는 이유가 있기에 비용이 많이 든다는 단점을 가지고 있다.

초전도체의 이용: 
이런 초전도체를 이용하는 곳으로는 전력 손실이 거의 없는 송전선과 초전도 자석 또는 에너지 저장 장치에 사용을 하고 있으며

자기 부상 열차와 자기 공명 영상 장치인 MRI에도 이용을 하는 신소재가 있다.

탄소 나노튜브는 인장 강도와 탄성률의 측면에서 지금까지 발견된 물질 중 가장 단단하고 강한 물질이며, 이는 탄소 원자들 사이에 형성된 sp² 공유 결합 때문이다. 2000년, 다중벽 탄소나노튜브는 63 기가 파스칼(GPa)의 인장 강도를 가지고 있다는 것이 실험을 통해 증명되었다. 이후 이어진 2008년의 실험에서, 각각의 탄소 나노튜브 껍질들은 100 GPa 이상의 강도를 가지고 있다는 것이 밝혀졌다.

전기적인 특성으로는 탄소 나노튜브의 축에 대해 감긴 형태(chirality)에 따라 금속(metallic) 혹은 반도체(semiconducting)의 특성을 다양하게 나타낸다. 금속성 탄소 나노튜브의 경우 구조적인 특성에 의해 전자가 산란되지 않고 길이 방향으로 잘 전달될 수 있다. 단일벽 탄소 나노튜브는 큰 음향양자(phonon)를 나타내며 이로 인해 열전도도가 6000 W/(m·K)로써 높은 값을 가진다. 탄소 나노튜브에 전기를 흘리면 LED(발광 다이오드)보다 효율이 100배 이상 높은 빛을 낸다.


활용 : 
현재는 주로 전기전도성을 요하는 정전기 방지용 고분자 복합 소재의 상용화가 이루어지고 있으며, 향후 2~3년 내에 고 전기전도성을 요구하는 전자파 간섭(Electromagnetic interference; EMI) 차폐용 복합소재가 상용화될 전망이다.
CNT 발열 및 방열 복합 소재 시장도 상용화가 시작되어 LED (Light Emitting Diode) 조명 적용 시장이 증대될 것으로 예상된다.
경량/고강도 복합 소재는 골프 클럽헤드, 알루미늄 부품 적용 등 일부 스포츠 용품을 중심으로 시장에 출시된 적은 있지만, 아직은 시장이 크지 않다. 그러나 향후 5년 내에 자동차 및 항공기의 내외장재에 사용될 가능성이 매우 크므로 이 분야의 사업화 전망이 밝다고 예측된다.

단일벽 나노튜브를 이용한 저가형 투명 전도성 필름의 상업화가 이루어졌으며, 모바일 기기의 급격한 증대와 맞물려 시장 확대가 예상된다.

다중벽 나노튜브를 이용한 정전기 방지용 도료의 상용화가 이루어졌으며, 향후 2~3 년내 에 고전도성을 요구하는 EMI 차폐용 도료의 출시가 가능할 것으로 생각되며, 이와 더불어 방열 도료도 매우 유망한 분야로 떠오르고 있다.

리튬 이온 전지의 양극에 전도성 충진제로 쓰이는 카본 블랙을 대체하는 분야가 가장 유망한 분야로 떠오르고 있다.
현재 주요 전지 업체들이 CNT를 양극 첨가재로 사용하여 특성이 개선된 리튬 2차 전지를 개발하였으며, 향후 급격한 시장 확대가 예상되는 모바일 기기, 전기 자동차 등에 사용이 예상된다.

[네이버 지식백과] 탄소 나노튜브 [carbon nanotube] (화학백과)

graphene

탄소 동소체 중 하나인 그래핀(graphene)에 있어서 탄소 원자들은 육각형의 꼭짓점에 존재하며(sp² 결합) 넓게 퍼진 육각형 벌집 모양의 2차원 평면 결정 구조를 이룬다. 그래핀은 원자 한 개 두께로 이루어진 막으로 안정적인 구조로 존재한다. 그래핀의 두께는 0.2nm 정도이지만 물리적 화학적 안정성이 높다.¹⁾
그래핀 구조
그림에는 여러 가지 탄소 동소체의 구조가 나와 있다. 탄소의 다른 동소체에는 흑연, 탄소 나노튜브, 풀러렌, 다이아몬드 등이 있다. 그래핀은 동일한 결합구조이지만 여러 층이 겹쳐 있는 흑연과는 다른 특성을 보인다.

탄소 동소체의 구조: a) 다이아몬드 b) 흑연, c) 풀러렌, d) 그래핀, e) 비결정성 탄소, f) 탄소나노튜브 (출처와 출처를 발췌해서 편집)

그래핀 발견
2004년 러시아의 물리학자 가임(Andre Konstantin Geim)과 노보셀로프(Sir Konstantin Sergeevich Novoselov)가 연필심에 투명 테이프를 붙여 떼어낸 뒤, 테이프에 달라붙은 흑연 가루를 반복해서 유리 테이프로 떼어내는 방식(물리적 박리법)으로 그래핀을 최초로 분리하였다. 2010년 그들은 그래핀을 분리해낸 공로로 노벨 물리학상을 받았다.^{2) 3)}

그래핀 성질
그래핀은 얇고 가벼우면서 내구성이 좋고, 독특한 물리적 화학적 성질 때문에 활용 범위가 넓다. 그래핀은 매우 높은 전성, 전자 이동도⁴⁾⁵⁾, 높은 열 전도도⁶⁾, 큰 영계수(Young coefficient)⁷⁾를 가지고 있으며 이론적 비 표면적도 크다. 또한 한 층이기 때문에 가시광선에 대한 흡수량이 적어 550nm에서 투과율이 97.7%이다.⁸⁾
그래핀을 다른 물질과 비교해보면, 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체인 단결정 규소보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있다. 강도는 강철보다 200배 이상 강하고, 다이아몬드보다 2배 이상 열 전도성이 높으며, 탄성도 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않는다.

응용 분야
그래핀은 기존의 전도성 소재와 필름재 등을 대체할 가능성이 있으며, 그래핀을 이용한 완제품 및 생산 및 검사에 필요한 장비들의 시장 규모가 늘어날 것으로 보인다.
그래핀은 가벼우면서 내구성 강한 물체를 만들어 비행기나 자동차, 건축자재 등에 사용한다. 그래핀의 강도로 섬유를 만든다면 가장 가볍고 안전한 전투복과 방탄복을 만들 수 있다는 점에서 이를 이용한 탄소 섬유가 주목받고 있기도 하다.
그래핀 나노 소재는 다양한 성능을 가지기에 그 응용 분야는 무궁무진하다. 특히 뛰어난 강도, 열전도율, 전자이동도 등이 요구되는 디스플레이, 2차 전지, 태양 전지, 자동차, 조명 등 다양한 산업에 응용되어 핵심 소재로서 주목받고 있다. 투명 전극 재료는 가시광선 영역에서의 투과율이 80% 이상이면서 전기적 특성을 만족시켜야 하며 전하가 충분하고 이들 전하가 쉽게 움직일 수 있는 구조로 되어 있어야 한다. 투명 전극에 그래핀을 활용할 경우 면 저항의 크기에 따라 다음과 같은 분야에 사용된다.

그 외 그래핀의 응용 분야로는 방열 필름, 코팅 재료, 초박형 스피커, 바닷물 담수화 필터, 2차전지용 전극, 초고속 충전기 등 다양하다.

제조법
가임과 노보셀로프가 그래핀을 최초로 분리해 낸 흑연을 스카치테이프에 붙인 후, 그것을 떼었다 붙이기를 반복하는 방법을 물리적 박리법이라고 부른다. 이 방법으로 그래핀의 존재를 증명할 수 있었지만, 넓은 면적의 그래핀을 만들 수는 없다. 산업적으로 그래핀을 대량생산할 수 있는 다양한 방법들이 연구되어 왔지만, 아직 만족할만한 실용화는 이루지 못하고 있다.
물리적 박리법
물리적 박리법은 여러 층으로 구성된 흑연 결정에서 기계적인 힘으로 한 층을 벗겨내어 그래핀을 만드는 방법이다. 연필로 종이에 글씨를 쓸 때 흑연의 얇은 막이 종이에 입혀지듯이 물리적 힘을 이용해 흑연 결정으로부터 한 겹씩 그래핀을 생성시킨다. 상대적으로 필요한 에너지가 낮지만, 넓은 면적으로 만드는 것이 불가능하며 결함 비율이 높고 대량 생산이 불가능하다는 단점이 있다.
화학 증착법
화학 증착법(chemical vapor deposition)은 뛰어난 결정질을 갖는 단층 내지 수층 정도의 그래핀을 넓은 면적으로 얻는 방법이다. 그래핀을 성장시키고자 하는 기판 표면에 높은 운동 에너지를 가진 기체 또는 증기 형태 탄소 전구체를 흡착-분해(또는 반응)하여 탄소 원자를 분해하고 탄소 원자들이 서로 결합하게 만들어 그래핀으로 성장시키는 방법이다.
촉매 없이 흑연과 같은 sp² 결합구조를 가진 탄소 구조체를 합성하기 위해서는 매우 높은 온도와 압력이 필요하다. 높은 결정질의 그래핀을 낮은 온도(~1273K)에서 합성하기 위해서는 촉매가 필요하며, 가장 많이 사용되는 전이 금속 촉매는 구리와 니켈이며, 그 외 금, 백금, 루테늄⁹⁾, 저마늄¹⁰⁾, 철¹¹⁾, 이리듐¹²⁾ 등이 사용된다.
화학적 박리법
화학적 박리법은 흑연의 산화-환원 특성을 활용한 방법이다. 먼저 흑연을 강산과 산화제 등으로 산화시켜 산화 흑연(graphite oxide)을 만든다. 산화 흑연은 강한 친수성이어서 물 분자가 면 사이에 쉽게 끼어들기 때문에 물과 닿으면 잘 침투한다. 이 결과 면 사이 간격이 커져 교반이나 초음파 분쇄기를 장시간 이용하면 쉽게 박리시킬 수 있다.
화학반응 과정은 먼저 미세한 흑연 결정을 강한 황산과 질산 혼합물에 넣어 그래핀의 가장자리에 카복실 화합물(graphene-COOH)을 결합한다. 이를 그래핀 아마이드로 만들고 테트라하이드로푸란, 테트라클로로메탄, 다이클로로에탄 같은 용액을 이용해 회수하면 그래핀이 생성된다.
에피텍셜 성장법
에피텍셜 성장법(epitaxial growth)은 실리콘 카바이드(SiC)와 같이 탄소가 결정에 흡착되거나 포함된 재료를 약 1,500℃에서 열처리하여 그래핀을 만드는 방법이다. 열처리 공정 중 탄소가 실리콘 카바이드 표면의 결을 따라 성장하면서 그래핀이 형성된다. 에피텍셜 합성법은 직접 원하는 위치에 그래핀을 성장시킬 수 있는 장점이 있지만, 재료가 비싸고 제작이 어렵다는 단점이 있다. ¹³⁾

참고 문헌

[출처] 게코 도마뱀 발바닥 모사 로봇|작성자 exoterra

현재 운행 중인 고속 자기 부상 열차를 만드는 데에도 이용된다

상어비늘
피부를 현미경으로 확대해 보면 리블렛(riblet)이라고 불리는 갈비뼈 모양의 미세돌기가 돋아나 있다

리블렛을 해석하자면 'rib'는 갈비뼈란 뜻이고 'let'은 작다는 뜻이다
 즉, 작은 갈비뼈를 의미한다 
실제로도 엄청 작은 크기인 10~100㎛(마이크로미터) 밖에 되지 않기 때문에 손으로 만지면 사포 같은 거칠거칠한 촉감만 느껴진다

상어 지느러미 비늘에 있는 미세돌기가 마찰저항을 감소시킨다
상어비늘의 이용:
상어 비늘의 미세 돌기인 리블렛은 수영할 때 몸 주변에서 발생하는 소용돌이를 밀어내는 역할을 하여 최대 8%까지 마찰 저항을 줄임으로써 더 빠른 속력으로 헤엄칠 수 있도록 한다

이와 같은 상어 비늘의 리블렛은 공기나 물의 저항을 줄일 필요가 있는 자동차의 타이어, 잠수함, 비행기, 수영복 등 다양한 용도로 이용되고 있다


출처
https://blog.naver.com/fira_sea/221013344068 상어비늘
네이버 지식백과 초전도체 superconductor 화학백과

  활용: 그래핀을 이야기할 때 흑연을 빼놓을 수 없다. 그래핀은 연필심으로 쓰이는 흑연의 구성 물질이다.전자현미경으로흑연을 관찰하면 탄소 원자들이 육각형으로 연결되어 마치 벌집처럼 보인다. 벌집 모양의 얇은 판이 층층이 쌓아올려진구조인데, 그래핀은 흑연을 이루는 여러 층 가운데서도 가장 얇은 막 한 겹을 떼어 낸 것이다.

노보셀로프 박사는 아주 간단한 방법으로 흑연에서 그래핀을 발견했다. 비밀은 바로 셀로판테이프에 있다. 시커먼 흑연덩어리에 셀로판테이프를 붙였다가 떼면 흑연이 묻어나오는데, 여기에 다른 셀로판테이프를 반복해서 떼어 내면 아주 얇은 흑연 덩어리를 얻을 수 있다.

마지막으로 특수 용액을 뿌려 셀로판테이프를 녹이면 그래핀 조각이 남는다.

나노튜브는 원통형 풀러렌 계열의 구조를 지니며, 그래핀이라는 탄소 원자 한 층으로 이루어진 막을 벽으로 하며 길고 속이 빈 튜브 모양으로 만들어졌기 때문에 탄소 나노튜브라는 이름이 붙었다. 그래핀을 둥그렇게 마는 각도에 따라 다른 나노튜브가 만들어질 수 있는데, 이렇게 말리는 각도와 지름에 의해 금속이 될 수도 있고 반도체가 될 수도 있다.

나노튜브는 단일벽 나노튜브와 다중벽 나노튜브(multi-wall carbon nanotube; MWNT)로 나눌 수 있다. 나노튜브는 반데르발스 힘에 의해 여러 가닥이 뭉쳐진 다발형 나노튜브(rope nanotube) 형태로 정렬되는 경우가 많다. 이후, 1994년에 아자얀(Ajayan) 등이 CNT를 첨가제로 사용한 고분자 나노 복합재료를 최초로 보고하였다. 탄소 나노튜브는 높은 유연성(high flexibility)을 가지고 있어서 휘어졌다가 원상복구되기 쉽고, 낮은 중량 밀도(low mass density)를 가지며, 직경이 나노 크기인 반면에 길이는 수 μm에서 길게는 수 mm까지 될 수 있기 때문에 길이:직경비(length/diameter ratio) 즉 종횡비(aspect ratio)가 매우 크다. 탄소 나노튜브의 종횡비는 다른 물질보다 훨씬 큰 132,000,000의 값을 가진다. 탄소 나노튜브의 종횡비는 고분자 나노 복합재료에 첨가제로 사용되는 카본블랙(carbon black), 실리카(silica), 클레이(clay) 등과 같은 기존의 첨가제 재료의 종횡비에 비해 매우 큰 값을 보이는 점이 가장 구별되는 특징이다.

탄소 나노튜브는 기계적, 전기적 그리고 열적 특성이 매우 우수하며 이로 인해 나노 복합재료 제조 분야에서 기존의 첨가제를 대체할 수 있는 혁신적인 물질로 여겨지고 있다. 나노튜브의 화학 결합은 흑연과 같은 sp² 결합만으로 구성된다. sp² 결합은 알케인이나 다이아몬드에서 볼 수 있는 sp³ 결합보다 강하며, 탄소 나노튜브의 강도가 매우 높은 것도 이 때문이다.

탄소 나노튜브의 종류

CNT는 벽을 이루고 있는 탄소 원자의 결합 수에 따라 구분한다. 우선 단일벽 나노튜브(single-wall nanotube)는 탄소 원자로 구성된 벽이 하나인 튜브 형태로 전기전도성, 열전도성이 가장 우수하다. 그러나 대량 합성이 어렵고, 가격이 높은 점이 산업화의 걸림돌이 되고 있다.

탄소원자로 구성된 벽이 두개인 이중벽 나노튜브(double-wall nanotube)는 전기 전도성과 기계적 특성이 뛰어나다. 다중벽 나노튜브(multi-wall nanotube)는 하나의 튜브에 탄소 원자로 구성된 벽이 여러 겹인 튜브 형태로 전기 및 열적 특성은 다소 떨어지나 기계적 특성이 우수하고 제조가 용이해 응용 범위가 넓다.

이밖에 단일벽 나노튜브가 여러 개 붙어서 다발을 이룬 튜브 형태인 다발형 나노튜브(rope nanotube)가 있다(그림 1).

그림 1. 단일벽 탄소 나노튜브 구조 (출처)

탄소 나노튜브그림 2. 이중벽 탄소 나노튜브 구조 (출처)
그림 3.다중벽 탄소 나노튜브 구조 (출처)

특성
기계적 성질
탄소 나노튜브는 인장 강도와 탄성률의 측면에서 지금까지 발견된 물질 중 가장 단단하고 강한 물질이며, 이는 탄소 원자들 사이에 형성된 sp² 공유 결합 때문이다. 2000년, 다중벽 탄소나노튜브는 63 기가 파스칼(GPa)의 인장 강도를 가지고 있다는 것이 실험을 통해 증명되었다. 이후 이어진 2008년의 실험에서, 각각의 탄소 나노튜브 껍질들은 100 GPa 이상의 강도를 가지고 있다는 것이 밝혀졌다.
이에 비해 실험적으로 판명된 단일벽 탄소 나노튜브는 640 GPa ~1 TPa 범위의 매우 높은 인장 탄성율과 150∼180 GPa의 높은 인장 강도를 가진다. 2008년에 실시된 연구에 따르면 개별 CNT 껍질은 양자/원자 모델과 일치하는 약 100 GPa의 높은 인장 강도를 가지고 있음이 밝혀졌다. 개별 CNT 껍질의 인장 강도는 매우 높지만, 인접 껍질과 튜브 사이의 약한 전단 상호 작용은 다중벽 탄소 나노튜브 및 탄소 나노 튜브 다발의 유효 인장 강도를 단 몇 GPa로 현저히 감소시킨다. 이러한 한계는 내부 껍데기와 튜브를 가교시키는 고 에너지 전자 조사를 적용하여 해결되었으며, 다중벽 탄소 나노튜브의 경우 약 60 GPa로 인장 강도를 효과적으로 증가시켰다.
탄소 나노튜브는 압축하의 조건에서는 기계적 성질이 강하지 않다. CNT의 중공 구조 및 높은 종횡비로 인해 압축, 비틀림 또는 굽힘 응력하에 놓이면 구부러지는 경향이 있다. 반경 방향에서의 CNT의 영률은 수 GPa 단위로 측정되어서 탄소 나노튜브가 반경 방향으로 매우 부드럽다는 것을 보여 주었다. 섬유 또는 섬유 응용 분야에서 비강도(specific strength)는 일반적인 섬유의 기계적 강도의 척도이다. 비강도는 재료의 강도(파괴 시 단위 면적당 힘)를 밀도로 나눈 값이며 SI 단위는 Pa·m³/kg 또는 N·m/kg이다. 밀도가 낮은 섬유는 높은 비강도를 가진다. 탄소 나노튜브의 밀도는 1.3~1.4 g/cm³로서 탄소강의 밀도인 7.85 g/cm³ 보다 낮은 밀도를 가지기 때문에 탄소강의 비강도가 154 kN·m·kg^-1인데 비하여 탄소 나노튜브의 비강도는 48,000 kN·m·kg^-1의 높은 비강도를 보이고 있어서 비중이 알려진 물질 중에서 가장 우수한 비강도를 보인다.
탄소 나노튜브의 기계적인 특성은 철 및 알루미늄 보다 강하며, 금속 중에서 가벼운 금속인 알루미늄(2.0g/cm³)보다 가볍다. 일반 탄소섬유는 분자 구조의 1%만 변형돼도 끊기지만 탄소나노튜브는 15%가 변형돼도 견딘다. 탄소 나노튜브가 강철·다이아몬드·구리·섬유 등 산업용 소재의 패러다임을 완전히 바꿀 나노 시대의 핵심 소재로 꼽히는 이유가 된다.
전기적인 성질
전기적인 특성으로는 탄소 나노튜브의 축에 대해 감긴 형태(chirality)에 따라 금속(metallic) 혹은 반도체(semiconducting)의 특성을 다양하게 나타낸다. 금속성 탄소 나노튜브의 경우 구조적인 특성에 의해 전자가 산란되지 않고 길이 방향으로 잘 전달될 수 있다. 단일벽 탄소 나노튜브는 큰 음향양자(phonon)를 나타내며 이로 인해 열전도도가 6000 W/(m·K)로써 높은 값을 가진다. 탄소 나노튜브에 전기를 흘리면 LED(발광 다이오드)보다 효율이 100배 이상 높은 빛을 낸다.
탄소 나노튜브의 열전도율은 자연계에서 가장 뛰어난 다이아몬드와 같고, 인장력은 다이아몬드를 능가한다. 탄소 나노튜브는 구리와 같은 수준의 전기 전도율을 가지고 있다.

탄소 나노튜브의 합성
CNT 제조법은 아크 방전법(arc discharge)과 레이저 증발법(laser techniques), 그리고 화학 기상 증착법(chemical vapor decomposition; CVD)으로 크게 3종류로 구분된다. 아크 방전법과 레이저 증발법은 고체 상태의 탄소(carbon source)를 전기(arc)나 레이저(laser)를 사용하여 열분해(pyrolysis)시켜서 고온의 기체 상태의 카본으로부터 CNT를 제조하는 방법이고, CVD방식은 전이 금속 계열의 촉매(catalyst)를 이용하여 기체 상태의 카본(gaseous carbon)을 기질(substrate) 표면에서 성장시키는 방법이다.

탄소 나노 튜브의 정제
CNT를 생산할 때 필연적으로 발생하는 부산물은 CNT를 연구하는데 많은 혼란을 주며 복합 재료 제조 시 특성을 저하시킨다. 따라서 이를 제거하기 위하여 다양한 정제 방법들이 시도되었다.
일반적으로 많이 사용되는 표준 정제법(standard purification)은 크게 열처리(heat treatment), 환류 상태에서의 산 처리(refluxing in acid) 또는 초음파 조사를 동반한 산 처리(acid treatment with sonication) 및 원심분리/세척(centrifuge, washing)의 순서로 이루어져 있다. 단계별 정제 효과 및 조건을 살펴보면 열처리는 가열로(furnace)를 사용하여 산소를 흘려주면서 일반적으로 500 °C 이하의 온도에서 비정질(amorphous) 탄소 물질을 열분해시킨다. 열 처리 후 산 처리 과정을 통하여 촉매로 사용되고 난 후 시료에 잔류하는 전이 금속을 제거한다. 산 처리를 위해서 다양한 조합의 강산 혼합물(acid mixture)과 처리 방법이 시도되었다.
초기에는 20% 플루오린화 수소산(hyrdofluoric acid) 및 22% 질산(nitric acid)에서 각각 5 시간 및 10 시간동안 환류(reflux) 처리하거나, 2∼3 M 농도의 질산에서 45 시간 동안 환류 처리하는 방법 등이 사용되었고, 최근에는 주로 염산에 열처리된 CNT를 넣고 초음파 처리(ultra-sonication)하는 방법이 사용된다.
산의 종류와 환류 (reflux) 시간 및 초음파(ultrasonication) 처리의 정도에 따라 정제 효율이 영향을 받으며 에너지가 과도하게 가해지면 SWNT의 경우는 나노 튜브가 절단되어 길이가 짧아지거나 MWNT의 경우는 외부층(outer wall)이 손상을 받을 수 있으므로 주의해야 한다.
산 처리 후 CNT를 과량의 탈이온수(DI water)에 섞은 후 고속 교반 과정을 거처 원심분리하여 산 처리로 떨어져 나온 불순물 등이 포함된 상등액을 제거하고 가라앉은 물질을 취한 후, 동일한 과정을 pH 값이 7 정도가 될 때까지 수차례 반복한다. 이 과정을 통해 강산 잔여물 및 전이 금속을 제거하고 테플론(PTFE) 재질의 필터(0.2 μm)를 사용하여 필터링한 후 건조시킨다. 초기의 CNT의 무게와 최종적인 CNT의 무게를 계산하여 불순물 및 수율을 계산할 수 있다.

CNT의 주요 응용 분야
벌크형 복합 소재 분야

박막형 복합 소재 분야

에너지 분야

안정성
탄소 나노튜브의 독성이 나노테크놀로지에서 중요한 질문이 된 적이 있었다. 2007년에, 독성에 대한 연구가 시작되었다. 데이터는 아직 단편적이고 주관적이다. 임시의 결과는 이 혼합된 물질의 유독성을 평가하는 것의 어려움을 강조한다. 샘플의 순도뿐 아니라 구조, 입도 분포, 표면, 표면화학, 표면 전류, 집합체 상태가 탄소 나노 튜브의 반응성에 엄청난 영향을 가진다. 그러나, 이용 가능한 정보에 따르면, 특정 상황에서는 탄소 나노 튜브가 염증이나 섬유증과 같은 해로운 효과를 유도할 수 있다고 한다.

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