탄소 원자들이 육각형 벌집 모양으로 연결된 관 형태인 CNT가 구리보다 뛰어난 전도성을 갖는 이유가 무엇인가요?

Question

탄소 원자들이 육각형 벌집 모양으로 연결된 관 형태인 CNT가 구리보다 뛰어난 전도성을 갖는 다고 합니다. 그 이유와 원리가 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

탄소 나노튜브(CNT)가 구리 같은 금속보다 뛰어난 전도성을 발휘하는 비결은 탄소 원자들 사이의 독특한 결합 구조와 그 안에서 일어나는 양자역학적인 전자 이동 방식에 있습니다.

​우선 탄소 나노튜브를 이루는 기본 단위인 그래핀 층의 결합 방식에 주목해야 합니다. 탄소 원자들은 세 개의 다른 탄소 원자와 강력한 공유 결합을 형성하며 육각형 벌집 모양의 평면을 만듭니다. 이때 결합에 참여하지 않고 남은 한 개의 전자가 평면 위아래로 자유롭게 움직일 수 있는 비편재화된 상태가 됩니다. 이 전자들이 탄소 나노튜브라는 아주 매끄럽고 정교한 원통형 통로 안에서 전하를 운반하는 역할을 수행합니다.

​구리와 같은 일반적인 금속에서는 전자가 이동할 때 금속 원자나 내부의 불순물과 끊임없이 충돌하며 에너지를 잃고 저항을 만들어냅니다. 반면 탄소 나노튜브는 구조가 매우 결함 없이 완벽하게 배열되어 있어, 전자들이 원자 격자와 거의 충돌하지 않고 미끄러지듯 통과하는 탄도성 수송 현상이 일어납니다. 마치 장애물이 전혀 없는 진공관 속을 달리는 것과 같아서, 구리보다 수백 배 이상 높은 전류 밀도를 견디면서도 열 발생은 최소화할 수 있는 것입니다.

​또한 탄소 나노튜브는 구리에 비해 무게가 훨씬 가벼우면서도 전기적 전도도는 금속과 대등하거나 그 이상을 보여줍니다. 이러한 특성 덕분에 초고속 반도체 소자나 가벼우면서도 효율적인 차세대 전선, 그리고 배터리의 성능을 높이는 도전재 등 미래 정밀 산업의 핵심 소재로 각광받고 있습니다. 결국 탄소 원자들이 만들어낸 완벽한 기하학적 형태가 전자를 위한 가장 빠르고 효율적인 고속도로를 제공하는 셈입니다.

Answer 2

안녕하세요.

CNT, 즉 탄소나노튜브가 구리보다 뛰어난 전도성을 가질 수 있다고 말하는 이유는 탄소가 특정 조건에서 전자 이동 방식이 매우 효율적이기 때문입니다. CNT는 흑연 한 장, 즉 그래핀을 말아 만든 원통형 구조이며 탄소 원자들이 sp² 결합으로 육각형 벌집 격자를 이룹니다. 먼저 구리는 전기가 잘 통하는 대표 금속으로 구리 내부에는 자유전자가 많아 전압을 걸면 전자가 이동합니다. 하지만 금속 내 전자는 이동 중에 끊임없이 격자 진동, 불순물, 결정립 경계, 결함과 충돌하면서 산란으로 인해 저항이 생기고, 에너지가 열로 손실됩니다.

반면 CNT의 탄소 원자들은 강한 공유결합으로 매우 정돈된 1차원에 가까운 결정 구조를 만들며, π 전자들이 튜브 축 방향으로 비편재화되어 있기 때문에, 즉 전자들이 특정 원자에 묶이지 않고 구조 전체에 퍼져 이동할 수 있습니다. 이 때문에 전자가 진행할 때 산란이 매우 적어질 수 있습니다. 특히 길이가 짧고 품질이 높은 CNT에서는 전자가 충돌 없이 이동하는 탄도 수송이 나타나는데요, 구리의 경우에는 상온에서 이런 수준의 장거리 탄도 수송이 어렵지만, CNT는 나노스케일에서 가능성이 큽니다. 따라서 동일 길이와 크기 조건에서는 매우 낮은 저항을 보일 수 있습니다. 게다가 CNT는 전류 밀도 측면에서도 구리보다 훨씬 강한데요, 구리 배선은 전류가 너무 커지면 전자이동 때문에 원자가 밀려 단선될 수 있습니다. 하지만 CNT는 탄소-탄소 공유결합이 매우 강하여 원자 구조가 견고하고, 훨씬 높은 전류 밀도를 견딜 수 있습니다. 그래서 미세 배선이나 고전류 나노소자 후보로 주목받는 것입니다. 감사합니다.