탄소나노튜브 시 -이영희-

Carbon Nanotube Research Lab. 이대식 pascalee   성균관대학교 1. 연구실 소개 성균관대학교 물리학과 탄소나노튜브 연구실(책임자: 이영희 교수)은 2000년 과학기술부로부터 국립탄소나노튜브 연구소(NRL)로 지정되었으며 2006년에는 최우수실험실로 지정되었습니다. 우리 연구실의 목표는 이론적, 실험적 접근을 이용해 탄소나노튜브의 기본적인 물리적, 화학적 성질을 이해하고 더 나아가 합성, 분산, 기능화,분리등을 통해 탄소나노튜브의 새로운 물성을 창출하는 것입니다. 이런 신물성은 전자소자(FED, 반도체, 태양전지, 열전소자, 가스센서), 에너지저장 소자, 디스플레이, 액정고분자, 알루미늄 탄소나노튜브 복합체 등 다양한 분야에 적용하여 기존소재의 특성을 개선하거나 새로운 물성을 이용하여 신기능소자를 만드는 것입니다. 우리 연구실은 현재 각각의 분야를 연구하는 소그룹으로 나누어져 있습니다. 우리 그룹은 탄소나노튜브 연구실은 물리, 화학, 화공, 재료, 전자 공학 등 다양한 전공 분야 출신의 학부생, 석사, 박사과정, 박사후 연구원, 연구교수로 구성되어 있으며 이 외에도 실험실 인원 중 20~30 %는 외국인으로 구성되어 있습니다. 이러한 다양성은 창의성이 요구되는 나노분야에 있어 아주 중요한 요소로 작용하고 있으며 이로 인해 시너지 효과 또한 얻을 수 있습니다. 이 시는 교수님이 탄소나노튜브의 탄생과 삶을 시로 표현하신 것입니다. 교수님께서 어렸을 때 문학도를 꿈꾸셨다는 이야기를 들었는데 탄소나노튜브의 특성이 잘 묘사된 것 같습니다. “탄소나노튜브 시 -이영희- 나로 말할 것 같으면 남들이 탄소나노튜브로 부르요 아버지는 다이아몬드이고 어머니는 흑연인디 난 누구를 닮었는지 잘 모르것소 내 큰 형 풀러렌은 아무래도 두 양반 짬뽕 같은디 나는 엄마를 더 닮은 것 같소 나는 내가 누구인지 나도 모르것소 나처럼 형제 많은 놈 나와 보라고 하슈 탄층탄소나노튜브가 내 본 이름인디 나는 천의 얼굴을 가졌수 나는 몸을 살짝 꼬기만 내 얼굴 모양이 바뀌우 그 모양이 금속이 되었다 반도체가 되었다 허지우 어디 그 뿐인줄 아슈 반도체일때도 갭이 반쯤 열리기도 하고 금속처럼 꽉 다물기도 하지유 기분에 따라 달라져유 그 전이금속이란 놈이 내 비위를 어떻게 맞추느냐에 달려 있지유 그치만 나도 몰라유 그 녀석도 이상한 놈이라 나도 내 표정관리 힘들다우 내 형도 꼬라지가 이상해유 나처럼 옷 하나만 입는 게 아니라 여름에도 몇 층씩 끼여 입는대유 내 동생은 또 혼자는 죽어도 못 다녀유 늘 뭉쳐 댕겨 남들이 다발이라 이름 붙혔시유 내 생김새 또한 이상해유 길쭉이로 하면 그보다 더 길은 것 없고 갈비씨로 말하면 나보다 더 갈비씨 보덜 못했시유 물론 난장이 세계에서만 통하는 얘기지만유- 그것 덕에 내 주가가 올라가기도 해유 FED 만들 때나 전자 방출시킬 때 꼭 나를 쓰려고 해유 덕분에 유명세를 탔지만 힘들어유 괴롭히는 작자들이 너무 많어유 난 가끔 내가 넘 갈비씨여서 싫지만 사람들은 내 갈비를 건들기를 좋아해유 하지만 아무나 못 건들어유 내 갈비대를 보려면 온도를 엄청 낮추어야 하거든요 그래도 아무나 보여주나유 엄청난 돋보기를 들이대야 조금씩 보여줘유 가끔은 애걸 복걸하는 사람들한테 쬐끔만 보여줘유 그러면 그 사람들 죽을려고 해유 그 본 것을 온 동네 방네 소문내고 다녀유 특히 사이언스, 네이쳐 동네는 늘 떠들어유 철이 쬠 덜 들었나 봐유 날 좋아하는 사람들 취향이 하도 많아 좋을 때도 있시유 반도체 표정을 하고 있으면 메모리 공부하는 사람들이 되게 좋아해유 그 사람들은 내가 난장이 세계에서 가장 이상형이래유 믿거나 말거나- 내가 금속 표정을 하고 있으면 좋아하는 사람들도 많어유 나를 그 못생긴 구리랑 비교하기도 하고 또 별로 재미도 없는 도전성 고분자에 섞으려고도 해유 별로 재미는 없지만 내가 있는 것만으로 자기들 가치가 올라간대서 가끔 놀아주기도 해유 이 사람들은 내 동생 다발을 되게 싫어해유 내 동생만 보면 다발을 찢어 놓으려고 해유 그렇지만 쉽지 않어유 얼마나 질긴디요- 아마 보통 인간들은 못찢을거유 그렇지만 내 동생도 약점이 있시유 가르쳐 달라구요? 어림없시유 자기 동생 파는 형 봤시유? 나는요 아놀드 슈바츠네커보다 더 단단한 몸매를 갖고 있시유 칼이 들어와도 어림업슈 내 근육은 칼보다 더 단단해유 그래서 부실한 고분자 동네에서 인기가 좋다우 사실 내 또 다른 장점은 단단한 데만 있지는 않수 나도 나긋나긋한 데가 있어유 내가 길쭉이 갈비씨 아니우 흔들거리기도 잘해유 전자빔을 마시면 째즈 춤도 춰요 아주 많이 마시면 어긋짱도 나유 온몸이 만신창이가 되지유 나의 또 다른 약점은 산소유 이 놈은 기생충처럼 내 몸에 붙어 나를 갉아먹지요 그래도 그러려니 하고 열 안 받아유 이 녀석은 열 받으면 더 발광하니까- 나는요 또 이상한데가 많어유 내 속은 비어 있시유 한마디로 속 없지유 사람들은 그런 내가 불쌍하다고 늘 뭘 채워 넣으려고 해유 저도 배가 고프니까 별로 싫지는 않은디 뭐 쓸모있는 것을 넣어 줬으믄 좋겠시유 어떤 사람들은 한때 수소를 채워줘 재미 있었는디 다른 물하고 섞어 넣어 싫다고 했더니만 요즈음은 삐췄나 봐유 영 안 채워 주내유 백금은 좋은디유 속보다는 겉에 입혀주는 것이 더 쓸모있다요 안박사라는 사람이 가끔 옷을 입혀줘 괜찮긴 괜찮은디 어디 비싼 옷 좀 사줘 봐유 인색허기는- 나는요 내 몸에 뭐든지 붙이기를 좋아해유 온갖 기체도 붙이구요 화학물질, 방사능 물질 안 좋아하는 것 없시유 그렇지만 물속은 싫어유 물속만 들어가면 내 동생처럼 뭉쳐야 편해유 워낙 불 분자들의 질투가 심해 어쩔 수 없시유 그래두 다른 것들은 좋아하니까 사람들은 저를 센서로 쓰기도 하고 전지로 쓰기도 하고 슈퍼커패시터로 쓰기도 해유 저도 나쁘지는 않어유 세상이 나를 필요로 허는디 싫어할 사람 있시유 살아볼 가치가 있지우 따지고 보면 저처럼 행복한 놈도 없지만유 그래도 가끔은 불평도 해유 사람들이 너무 몰라줘유 내가 얼마나 잘 났다고요 나처럼 잘난 놈 나와 보라고 해 봐유? 없지유? 없지유? 근데 별로 안 알아줘유 그러기엔 내가 너무 잘 났나봐유 하기사 나야 난장이 나라에서나 잘 났지 어디 거인국에서는 날 보기가 쉽겠수? 그래도 당신들은 날 볼 능력이 있잖수? 열심히 해 봐유 포기허지 말고- 가끔은 엉덩이도 보여주고 기분 좋으면 가슴도 쬐끔 보여줄께요 또 알어유 진짜 맘에 들면 뽀뽀도 해 줄지... 2. 연구 분야 (1) Electronic device 현재 실리콘 기반 반도체 기술은 40 nm (nm = 10^-9 m) 수준에 와 있지만 20 nm 이하로 내려갈 경우 새로운 반도체 현상이 나타나 기존 반도체 개�을 더 이상 적용할 수가 없다. 이를 대체하기 위해 탄소나노튜브를 이용한 연구가 진행되고 있다. 탄소나노튜브는 탄소로 이루어진 tube 모양의 구조인데 빨대의 지름이 1 nm 정도밖에 안되어 실리콘보다 훨씬 작게 만들 수 있을 뿐 아니라 일차원(선) 구조로 인해 저항이 거의 없어 속도를 크게 향상시킬 수 있다. 본 연구실에서는 반도체 구조 개선, 반도체성 튜브와 금속성 튜브의 분리, p-,n-type 구현, 튜브와 여러 금속과의 접촉, 그리고 이를 이용한 각종 소자 (다이오드, 센서 등) 및 집적화된 회로 구현을 연구하고 있다. (2) Synthesis of carbon nanotubes 탄소나노튜브의 우수한 성질로 인하여 많은 응용 가능한 분야가 있음에도 불구하고 나노튜브의 직경, 길이를 조절하는 것이 쉽지 않은 것이 현실이다. 또한 공급이 쉽지 않고 가격이 너무 비싸 응용의 걸림돌이 되고 있다. 따라서 대량합성과 균일한 직경을 가진 탄소나노튜브의 합성이 필요로 하고 있다. 본 연구실에서는 열 및 플라즈마 화학 기상 증착법을 이용하여 단일층, 얇은 다중층, 그리고 다중층 탄소나노튜브를 합성하고 있으며 대량합성에 대한 연구를 진행하고 있다. (3) Graphite oxide synthesis Graphite oxide는 흑연을 산화시켜서 만든 일종의 산화 흑연이라 할 수 있다. 하지만 흑연보다 층간의 거리가 넓어서 에너지 저장에 용이하게 쓰일 수 있는 장점이 있는 재미있는 물질이다. 또한, 물에 잘 녹는 수용성 물질이므로 물에 녹여 Si wafer나 flexible substrate등에 증착시켜 Graphene layer와 같은 물질들을 관찰, 응용할 수 있다. 본 연구실에서는 에너지 저장과 capacitor device, 투명 기판에 관한 연구를 수행중이다. (4) Theory group 이론 연구팀은 전산 모사를 이용하여 나노분자나 고체의 여러 가지 물리적인 성질을 연구한다. 이는 새로운 물성에 대한 예측과 이론과 다른 실험결과를 설명하는데 큰 역할을 하고 있다. 말하자면 실험을 통해서도 쉽게 알 수 없는 미시적인 상황을 이해하고, 더 나아가서 이론을 바탕으로 새로운 종류의 물질을 설계하여 응용할 수 있는데 도움을 주려는 것이 목표이다. 지금까지 탄소 나노튜브의 물리적, 화학적인 특성을 이론적으로 연구하여 다수의 논문을 발표하였다. (5) 액정/탄소나노튜브 복합체 액정물질에 소량의 CNT를 섞으면 액정의 물성이 변할 뿐 아니라 액정속에서 탄소나노튜브의 거동이 전기장에 따라 재미있는 반응을 하고 있다. 이런 현상을 이용하여 액정의 결정적인 단점인 반응속도를 개선하려는 연구와 탄소나노튜브의 특이한 거동을 이용해 전자종이에 응용하려는 연구를 진행시키고 있다. CNT를 poly styren에 씌운 모습 오른쪽 그림은 작은 구를 확대한 모습 (6) 에너지 저장 탄소나노튜브, 탄소나노튜브를 이용하여 슈퍼커패시터, 베터리등에 응용하여 기존 베터리의 성능을 개선하고 고에너지, 고출력밀도를 가진 새로운 형태의 커패시터를 제작하고 있다. 또 이런 재료는 연료전지의 백금촉매 담지에도 응용되고 있다. 본 연구실에서는 carbon nanofiber paper와 carbon nanotubes의 표면 개질을 통하여 fuel cell에 쓰이는 촉매를 2~4 nm 로 균일하게 담지하여 fuel cell의 양극과 음극으로 응용하는 연구를 수행하고 있다. (7) 투명전극팀 본 연구실에서는 탄소나노튜브를 용액에 분산시켜 투명박막에 뿌려 표면저항이 낮은 특성의 전극을 제작하고 있다. 기존의 투명전극은 ITO재료를 쓰고 있으나 구부리면 저항이 커지는 단점이 있다. 탄소나노튜브는 180도 가까이 구부려도 저항이 변하지 않는 장점이 있어 미래형 flexible 디스플레이로 각광을 받고 있는 재료이다. 그러나 탄소나노튜브 박막의 단잠은 저항이 크다는 것이고 이를 극복하기 위해서 나노분산을 추구하고 또 다양한 박막제조 방법을 이용해 최적화된 박막을 얻으려는 연구를 계속 진행시키고 있다. (8) 나노복합소재팀 탄소나노튜브는 기계적 강도(30~180 GPa)가 철의 100배이고 전기전도도(6000 S/cm)가 구리의 1000배이다. 이러한 탄소나노튜브를 금속과 혼합하여 사용할 경우 그의 적용 분야는 고강도 자동차 부품 소재부터 주방 물품, 항공기, 선박, 인공위성 등의 우주산업에 쓰일 정도로 무한하다. 현재의 우리 연구팀은 Al-C 공유결합 유도 기술을 이용하여 알루미늄과 탄소나노튜브의 복합체 제조에 대한 연구를 성공하였으며, 곧 상용화 예정이다. 또한 알루미늄 뿐만 아니라 구리, 마그네슘, 철 등에 대한 연구도 진행 예정에 있다. 3. 연구원 소개 및 연구실 자랑 탄소나노튜브연구실은 현재 이영희 교수님을 비롯하여 박사후 연구원 7명, 박사과정 11명, 석사과정 13명, 학부생1명 등 모두 33명의 연구자가 있습니다. 또한 터키, 인도, 베트남, 중국 등 다양한 국적의 외국인 유학생들도 다수 포함돼 있습니다. 현재 연구실에서 발표한 논문은 올 2월까지 국내?외 학회에 발표한 논문은 239건 이고 SCI급 논문에 인용되는 횟수도 총 6700회를 넘었습니다. 이런 많은 연구결과를 발표하신 교수님은 1997년 과학기술우수논문상, 1999년 자랑스런 전북인상, 2005년 한국물리학회 학술상, 2006년 국가석학10인 선정, 닮고 싶은 과학자 10인, 2004,2007년 성균관대 fellow 2회 선정, Hsun Research Award 수상등 우수한 연구결과로 여러 상들을 수상하셨습니다. 4. 연구실 생활 및 활동 탄소나노튜브연구실은 매주 토요일 오전 영어로 랩미팅을 진행합니다. 랩미팅에서는 최근 저널에서 최신 연구 경향을 살펴보고 그 내용을 영어로 소개합니다. 연구실내 많은 외국인들 때문이기도 하지만 국제 학회에 나가서 외국의 학자들과 심도있는 대화를 나누기 위해서는 평소에 습관이 되어 있어야 한다는 교수님의 강한 의지도 반영되어 있습니다. 이 시간에 서로가 많은 아이디어를 공유하고 토의합니다. 연구 뿐 아니라 일년에 정기적으로 2번 단합활동을 통해 연구원들간 결속력 또한 높이고 있습니다. 여름에는 2박3일동안 지리산 등반을 통해 체력을 키우고 지친 심신을 재충전 하며 이후 졸업하신 선배님들과의 홈 커밍데이 행사를 갖고 인적 네트워크 또한 높이고 있습니다. 겨울에는 그해의 마지막 날 연구원들이 모두모여 그해의 잘못된 일과 잘했던 일을 다시 생각하며 새해를 맞이 합니다. 이 외에도 연구실 체육대회 등을 통해 쌓인 스트레스를 풀며 더 발전하는 시간으로 만들어 가고 있습니다. 5. 연구실 소개를 마치고... 우선 탄소나노튜브 연구실을 소개할 기회를 주신 KOSEN 관계자여러분께 감사하다는 말씀을 전하고 싶습니다. 저희 연구실은 항상 자유롭고 열린 사고를 갖고 실험에 임하고 있습니다. 탄소나노튜브 연구실은은 항상 열려있으니 주저하지 마시고 연락주시기 바랍니다. 마지막으로 많은 관심을 가져주신 실험실 구성원 모두 감사드리고 부족한 소개글 끝까지 읽어주신 KOSEN 회원여러분께도 감사합니다. 문의: 성균관대학교 물리학과 탄소나노튜브연구실 전화번호: 031-299-6504 홈페이지: http://nanotube.skku.ac.kr 교수님이메일: leeyoung@skku.edu 주소: 경기도 수원시 장안구 천천동 성균관대학교