<질화붕소나노튜브(BNNT: Boron Nitride Nanotubes) 등장>
질화붕소나노튜브는 근래에 들어 전 세계적으로 많은 주목을 받고 있는 나노신소재로 탄소나투튜브(CNT)와 유사한 기계적 특성과 열전도, 열팽창 특성을 가지고 있다. 동시에 세라믹의 특성도 가지고 있어 열적/화학적 안정에 있어서는 CNT와 비교하여 매우 우수하다고 평가된다.
특히 BNNT를 구성하고 있는 붕소는 열중성자를 흡수할 수 있는 능력이 CNT를 구성하고 있는 탄소와 비교하여 20만 배나 높기 때문에, 우수한 기계적 특성을 이용한 경량화와 방사선 차폐능을 동시에 보유할 수 있는 미래 우주공학 물질로 매우 유용하여 각국에서 이의 개발에 심혈을 기우리고 있다.
그러나 장점이 있으면 단점도 있으므로 현 상태에서는 BNNT를 정제하는 것은 매우 어려워 제조하는데 상대적으로 많은 에너지가 필요하며 제조 시 생성되는 불순물의 양이 많은 것이 단점으로 알려진다.
BNNT가 CNT와 세라믹의 특성을 동시에 보유하는 물질의 우수성과 활발한 연구개발 활동을 감안하면, 이런 문제는 근간 해결될 것으로 보여 나노테크의 획기적인 성과를 기대한다.
BNNT는 그야말로 근래에 산업적 응용에 대한 기대하는 나노신소재이다. 1995년 버클리대학의 제틀(A. Zettle) 박사가 처음으로 BNNT의 합성을 발표한 이후 이 분야의 연구가 집중되었고 특히 2014년을 기점으로 상용 BNNT가 시장에 등장하면서 관련 응용연구는 급격히 증가하고 있다. 1990년대 중반 탄소나노튜브(CNT)의 예와 다름없다.
CNT는 탄소 단원자의 육방정계 나노튜브이지만 BNNT는 질소와 붕소로 이루어진 동일한 구조의 나노튜브이다.
기본적으로 BNNT는 기계적 특성과 열전도, 열팽창 등의 특성이 기존의 CNT와 비교되지만 세라믹의 특성을 동시에 보유하고 있다. 그러나 전도성과 반전도성이 혼합되어 있는 CNT와는 다르게 항상 전기적으로 절연성을 가지고 있으며, 열적 안정성에 있어서도 CNT가 400℃ 정도부터 산화되는데 비해, BNNT는 공기 중에서 800℃의 높은 온도에서도 안정성을 가지고 있다. 더불어 화학적으로도 CNT에 비해 매우 안정하다고 알려져 있다.
학자들은 이러한 우수한 기계적/열적/화학적/전기적 특성에 기인하여 BNNT는 전자산업, 에너지, 우주/원자력, 및 바이오-메디칼 등 다양한 산업분야에 접목될 수 있다고 설명한다.
특히, BNNT를 구성하고 있는 붕소가 열중성자를 흡수하는 능력이 매우 뛰어나 원자력 산업에 응용될 수 있는 매우 중요한 물질이다. BNNT는 기본적으로 열중성자를 흡수하므로 방사선 차폐와 기계적 우수성을 동시에 보유해야 하는 우주공학에 절대적으로 필요한 경량소재로서 유용성이 매우 큰 소재로 미국 NASA가 BNNT에 집중 투자하는 이유다.
또한 CNT가 생물학적으로 유해한 영향을 줄 수 있다는 보고도 있는데 BNNT는 생체에 무해한 것으로 알려져 있어, 바이오-메디칼 응용 연구도 활발하다. 특히 BNCT(boron neutron capture therapy)는 방사선 치료 분야에서 효율적으로 알려진다.
그러나, BNNT가 실제로 산업적으로 응용되려면 상당히 높은 산을 넘어야 하는데 그중 한 가지로 분말의 순도를 높일 수 있는 정제기술의 안착이다. BNNT는 열적/화학적 특성이 우수하다는 것이 단점으로 작용한다. 한마디로 기존의 정제기술을 그대로 이용하는데 한계가 있다는 뜻이다. 더불어 미반응 붕소 및 반응은 되었으나 나노튜브로 성장하지 못한 BN의 제거는 매우 어려운 과정으로 알려진다.
세계 각지에서 BNNT에 폭발적인 반응을 보이는 것은 여러 분야에서 산업적 응용이 가능하기 때문이다.
제일 먼저 제시된 것이 전자산업에서의 활약이다.
BNNT는 전자산업 분야에의 활용이 기대되고 있는데 전기절연 방열특성과 압전특성 때문이다.
BNNT를 이용한 전기절연 방열소재의 경우, 전자 디바이스/기기에서 필연적으로 발생하는 열을 효율적으로 방출할 수 있다는 것이 발견되었다. 또한 BNNT의 압전특성은 고분자 압전센서인 PVDF와 비교하여 우수한 것으로 알려져 있다. 압전 현상은 마리 퀴리의 남편인 피에르 퀴리가 발견한 것으로 사실 <노벨상위원회>에서는 압전 현상으로 피에르 퀴리 단독으로 노벨상을 수상코자 하였으나 피에르 퀴리가 마리 퀴리와 함께 노벨상을 받겠다하여 라듐을 공동으로 발견한 공으로 두 사람에게 노벨상을 수여했다고 한다.
그러므로 마리 퀴리에게는 남편인 피에르 퀴리에 의해 덤으로 노벨상을 받았다는 구설수가 계속 따라다녔으나 추후 피에르 퀴리 사망한 후 단독으로 노벨상을 수상하여 그녀에게 따라다니던 구설수를 불식시켰다고 알려진다. 여하튼 제4차 산업혁명의 가장 중요한 기술인 센서와 저에너지 활용 기술에 직접적으로 적용이 될 수 있는 장점이 있다는 뜻이다.
BNNT 제조방법은 두 가지로 3,000 ℃ 이상이 필요한 고온공정과 이하 온도에서 작동되는 저온 공정이다. 고온 공정에는 아크방전, 레이저 어블레이션/플라즈마법 등이 있으며, 저온 공정으로는 CVD/PVD 또는 볼밀링(ball milling)-열처리 공정이 있다.
두 공정 모두 장단점이 있는데 아크방전법의 경우 생산성이 매우 나쁘며 불순물을 다량 함유하고 있다는 단점 때문에 답보상태다. 레이저 방식은 레이저빔을 이용하여 고온의 붕소 또는 붕소화합물의 플라즈마를 형성하여 BNNT를 합성한다. 이 방식은 결정성이 우수한 BNNT를 제조할 수 있으나, 여전히 고압의 환경에서 공정을 이용해야 하고, 반응기 내에서 반응기체가 머무르는 시간을 조절하는 것이 매우 어렵기 때문에 미반응 불순물이 필연적으로 생성되는 단점이 있다. 이 기술을 이용하여 생성되는 BNNT의 순도는 50% 정도이다. 매우 고가인데 BNNT의 결정성이 우수하고 지름은 작지만 상대적으로 긴 나노튜브를 제조할 수 있는 장점이 있다.
CNT의 제조에 일반적으로 사용되는 CVD 방법을 BNNT 제조 연구에 적용하는 경우 순도와 결정성에 있어서는 CVD 방법의 장점이 부각되지만 공정의 한계로 생산성이 낮은 것이 단점으로 알려져 이 분야에 집중적인 연구가 진행중이다.
볼밀링-열처리법은 볼밀링한 붕소 또는 붕소화합물을 전구체로 제조하고 이의 열처리를 이용하여 BNNT를 제조하는 방법이다. 이 방식을 사용하면 상대적으로 온도가 낮은 1,100 ℃∼1,400 ℃ 사이로 제조할 수 있는 장점이 있다. 물론 볼밀링 시 생성되는 불순물의 양을 조절하는 것이 어렵고, 볼밀링과 열처리에 많은 시간을 투입해야 하는 단점도 있지만 다른 방법들과 비교하여 상대적으로 장치와 공정에 필요한 비용이 저렴한 장점이 있어 많은 연구들이 진행되고 있다.
또한, 최근에 한국원자력연구원에서는 전구체 분말을 필름으로 성형하여 반응기 내에 다양하게 설치할 수 있도록 전구체 성형기술을 개발하고, 상용화 단계에 들어갔다고 발표했다. 한국원자력연구원의 김재우 박사가 BNNT를 상용화 할 수 있는 기술 개발에 성공했다는 것이다.
김 박사는 딱딱한 물질을 분쇄하는데 쓰는 ‘볼 밀링’ 법을 사용했다. BNNT를 만들기 위해 여러 단계를 거치다가 완성 직전에 소재를 곱게 빻아 분말로 만드는 것이 핵심이다.
BNNT는 기본적으로 CNT와 유사한 열전도 특성을 가지고 있으나 전기적으로는 세라믹과 유사한 절연특성을 가지고 있다. 그러므로 전기절연성을 가지는 고분자의 열전도를 향상하기 위해 BNNT가 분산된 고분자복합재 제조가 활발하다. 다양한 전자기기, 제품들이 작아지고 얇아지며, 속도가 빨라지고 있는 추세인데 이때 생기는 열이 장애물이다. 작동시 생기는 열을 방출시킬 수 있는 공간이 작아지기 때문이다. 그런데 BNNT는 전기적으로 절연성을 가지면서 열전도성이 매우 좋으므로 이런 문제를 해결하는데 적격으로 인식한다.
BNNT가 우주-원자력 분야에 매력적인 것은 붕소원소는 열중성자를 흡수할 수 있는 능력이 매우 우수하기 때문이다. 그러므로 우선 원자력 산업에서 방사선을 차폐하는데 있어서 매우 유용하다. 또한 BNNT는 CNT와 유사한 기계적 특성을 갖고 있으므로 우주분야에서 소재의 기계적 특성에 기인한 경량화와 동시에 우주방사선도 차폐할 수 있는 장점이 있다.
사용후핵연료를 수송하거나 저장하기 위해서는 기본적으로 고온환경, 극심한 방사선 노출환경에 장기간 노출되어도 물성을 유지할 수 있는 건전성을 확보하고 있어야 한다. 학자들은 바로 이 문제를 BNNT의 기계적 특성과 우수한 열중성자 흡수능력을 고려하여 적격한 재료로 추정한다.
BNNT는 에너지 산업분야에도 다양하게 응용될 수 있는데 이는 수소저장과 해수담수 분야이다. 수소저장은 미래 에너지원으로 매우 중요한 기술적/산업적 분야인데 수소를 생산하는 것도 중요하지만 이를 효율적으로 저장하고 꺼내서 쓸 수 있는 기술도 매우 중요하다. 또한 BNNT를 활용하여 해수를 담수로 전환하기 위한 염분제거나 금속이온을 분리하기 위한 멤브레인으로 활용하기 위한 연구 등 에너지 분야에서 크게 활용될 것으로 추정한다.
현재 CNT는 생물학적인 시스템에 유해하다는 보고가 있어 더 이상 바이오-메디칼 분야의 응용연구가 제한적이다. 그러나 BNNT가 생체시스템에 좀 더 적합하다는 평가다. 이는 대부분의 연구에서 BNNT는 생체에 독성이 없거나 매우 낮은 것으로 평가되고 있기 때문이다. 그러므로 BNNT를 약물전달의 매개체로 이용하여 뇌암을 치료하는 연구가 활발하다.
이는 표적치료라 볼 수 있는데 뇌암을 치료하는 BNCT(boron neutron capture therapy)가 대표적이다. BNNT가 레이블된 약물의 경우, BNCT를 암표적에 효율적으로 전달할 수 있다. 물론 이런 표적치료는 뇌암에만 적용되는 것이 아니다.
질화붕소나노튜브는 현재 폭발적으로 전세계적으로 상용화 과정을 거치고 있다. CNT가 발견된 후 여러 가지 상용화 과정을 거쳐 대량 생산에 들어간 것처럼 BNNT도 시장의 요구를 충족하기 위한 상용화 과정이 고속화 될 것으로 예상된다.
BNNT는 재료의 특성상 IT, 원자력-우주, 에너지 및 바이오-메디칼 분야에서 미래의 중요한 기초소재로의 역할을 기대할 수 있을 것으로 예상된다. 특히 4차 산업혁명에 있어 가장 중요한 기술인 센서와 압전 특성을 보유하고 있어, 앞으로 산업의 패러다임까지 바꿀 수 있다고 예상하는 학자들이 많이 있다.
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<나노 연구는 진행중>
그래핀과 함께 ‘꿈의 신소재’로 불리는 탄소나노튜브(CNT)를 원하는 대로 만드는 기술을 <기초과학연구원(IBS)>의 펑딩 박사가 개가를 올렸다. 그래핀과 더불어 ‘꿈의 신소재’로 불리는 CNT는 벽(wall)의 숫자에 따라 단일벽 탄소나노튜브(Single-walled carbon nanotube; SWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(Multi-walled carbon nanotube; MWCNT), 또 여러 개의 탄소나노튜브가 뭉친 형태의 다발형 탄소나노튜브(Carbon Nanotube rope)로 구분된다.
단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)으로 구성된 ‘수평형 탄소나노튜브’는 실리콘을 대체할 차세대 마이크로칩 소자로 주목받았다. 반도체 성질을 띠고, 열 전도성과 물리적 강도가 우수하기 때문이다. 또 탄소나노튜브를 옮기는 과정에서도 별도의 처리 과정이 없어 소자 제작에도 효율적이지만 수직형 탄소나노튜브에 비해 만드는 것이 어려워 진도가 나가지 않았다.
탄소나노튜브의 각종 특성은 튜브의 지름과 튜브 벽이 말린 각도 등에 따라 달라진다. 특히 흑연판으로 이뤄진 벽이 말리는 각도가 뒤틀리는 성질을 ‘구조적 비대칭성(Chirality)’이라 하는데, 비대칭 정도에 따라 반도체 성질 여부 등이 결정된다. 흑연판을 어떻게 말았느냐가 탄소나노튜브 물성과 바로 연결되는 것이다.
단일벽 탄소나노튜브의 전기적 특성은 흑연판이 말리는 방향에 따라 달라진다.
펑딩 박사는 탄화텅스텐을 촉매로 사용해 탄소나노튜브를 합성한 결과, 반도체 성질을 띠는 특정 형태의 탄소나노튜브 합성 성공률이 높아진다는 것을 발견했다. 그러므로 사파이어 결정 기판 위에 반응시킬 탄화수소 기체와 촉매인 초소형 탄화텅스텐 가루를 공급해 순도 80~90% 이상의 탄소나노튜브를 합성하는 데 성공했다. 한마디로 탄소나노튜브의 물성을 자유자재로 제어할 수 있다는 것이다.
‘꿈의 신소재’라는 그래핀의 문제점 해결에도 펑딩 박사가 개가를 올렸다.
대면적 ‘화이트 그래핀’을 만드는 기술을 개발한 것이다. ‘화이트그래핀’은 육방정계 질화붕소(h-BN)로 큰 틀에서 질화붕소나토튜브이다.
펑딩 박사는 어떤 2차원 물질도 대면적으로 합성할 수 있는 '합성공식'을 찾아냈다. 또한, '화이트 그래핀'을 기존보다 1만 배 큰 100㎠의 대면적으로 제작하는 데도 성공했다.
펑딩 박사는 이론적 연구를 통해 2차원 대면적 단결정 소재 합성의 열쇠는 제조에 사용되는 기판이 쥐고 있다는 것을 증명했다. 기판의 표면 대칭성이 합성하고자 하는 물질보다 낮아야 2차원 물질 속 원자의 배열과 배향을 흩뜨리지 않고 단결정 형태로 제작이 가능하다는 뜻이다. 이에 착안해 그는 표면 대칭성을 낮춘 구리 기판을 제작하고, 이 위에서 2차원 단결정 육방정계 질화붕소를 성장시킨 결과 기존 수㎟ 크기로 제작하는 것이 한계였던 것에 비해 1만 배가량 크기를 키운 결과 가로·세로 10cm의 2차원 대면적 단결정 육방정계 질화붕소를 제작한 것이다.
사실 학계의 고민은 2차원 소재는 그 자체로도 우수하지만 대면적 제조가 생각보다 쉽지 않았다는 점이다. 그런데 2차원 소재는 여러 소재를 층층이 쌓아 함께 사용했을 때 시너지 효과를 낼 수 있는데 그 물꼬를 튼 것이다.
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