[논문]탄소나노튜브 분말의 에너지저장 이용

안중호

doi:10.4150/kpmi.2004.11.4.279

[국내논문] 탄소나노튜브 분말의 에너지저장 이용
Application of Carbon Nanotube Powders to Energy Storage 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.11 no.4, 2004년, pp.279 - 287

초록
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탄소재료는 결정구조에 따라 카본블랙(carbon black), 그라파이트(graphite), 탄소섬유(carbon fiber) 등 다양한 형태가 있으며 그 응용 또한 광범위하다. 이는 탄소재료가 화학적으로 매우 안정하고, 열 및 전기전도성이 우수하며, 기계적인 특성면에서도 고강도, 고탄성율을 가지고 있어서 구조적으로 안정하기 때문이다. 특히 $C_{60}$(fullerene)와 탄소나노튜브(carbon naotube : CNT)등 근래 새로이 발견된 탄소물질들$^{1.2)}$ 은 그 독특한 결정구조와 성질로 인해 다양한 분야의 응용이 예상된다.

AI 본문요약
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문제 정의

마지막으로 이와 같은 물리화학적 방법 외에 탄소나노튜브의 기계적 탄성을 이용하는 물리적 방법도 가능하다. 본고에서는 분말 형태로 이용하는 탄소나노튜브의 이러한 여러가지 에너지저장법에 대해 소개하고자 한다.
탄소나노튜브를 이용한 에너지 저장 중 마지막으로 소개하고자 하는 것은 기계적 탄성에너지의 저장이다. 이 분야는 아직 본격적인 응용연구는 진행되고 있지 않으나 아이디어의 소개 차원에서 언급하고자 한다. 주지하다시피 탄소나노튜브는 매우 흥미로운 탄성현상을 가지고 있는데, molecular dynamic simulation 결과에 의하면45)탄소나노튜브는 극심한 비틀림에도 탄소결합이 쉽게 파괴되지 않는다고 보고되어 있다.

성능/효과

설사 이러한 현상이 다소 있더라도 F나 CO, COOH와 같은 complex 계통의 착이온을 수소 흡장된 나노튜브에 흡착(adsorption) 시켜줌으로서 수소 유출통로로 막아주어, 활성탄소와는 달리 desorption 현상을 극소화할 수 있을 것으로 본다. 결론적으로 탄소나노튜브에서 2wt% 이하의 낮은 수소저장이 보고된 경우는 나노튜브의 특이 구조로 예상되는 높은 수소저장능이 여러 원인에 의해 제대로 발현하지 못한 경우로 생각된다.
Smalley 등은 10㎛ 길이의 SWCNT rope로 된 ~30mg의 분말을 직경 7 mm의 초경 금형에 장입후 상온에서 피스톤으로 29 kbai의 고압을 가하는 홍미로운 실험을 행하였다47). 가압 중 나노튜브들은 형상이 완전 다르게 변형되었을 것으로 계산되었으나, 압력제거후 튜브들의 형상은 원상 그대로였으며, 특히 반복적인 가압/외력제거 후에도 피스톤의 위치가 가역적으로 복원되는 괄목할 탄성력을 보여주었다. 따라서 나노 튜브의 이러한 탄성에너지 저장 특성을 이용하면 향후 마이크로 혹은 나노 규모의 초강력 스프링이나 에너지 홉수재로 응용이 가능 할 것이다.

후속연구

이 같은 결과는 타 연구기관의 결과에서도 비슷하여, 높은 초기용량이 싸이클 반복에 따라 급격히 감소하는 점이 탄소나노튜브의 리튬2차전지 전극재로의 실용화에 가장 큰 해결과제임을 보여주고 있다. 특기 할 점은 가역용량이 전류 밀도에 크게 영향을 받는다는 점이며, 응용화 시 이에 대한 보다 상세한 분석이 필요하다.
현재까지 보고된 값 중 높은 것은 -180 F/g 에 이르고 있으며43, 44) 방전시간도 극히 짧은 7 ms가 MWCNT에서 보고되어 있다42). 그러나 비표면적 3000m2/g 급의 활성화 탄소와 경쟁하기 위해서는 보다 더 특성을 높이는 연구가 필요하다.
가압 중 나노튜브들은 형상이 완전 다르게 변형되었을 것으로 계산되었으나, 압력제거후 튜브들의 형상은 원상 그대로였으며, 특히 반복적인 가압/외력제거 후에도 피스톤의 위치가 가역적으로 복원되는 괄목할 탄성력을 보여주었다. 따라서 나노 튜브의 이러한 탄성에너지 저장 특성을 이용하면 향후 마이크로 혹은 나노 규모의 초강력 스프링이나 에너지 홉수재로 응용이 가능 할 것이다.
또한 수소나 리튬저 장에 대한 현재까지의 보고들은 큰 편차와 재현성 없는 결과를 보여주고 있는데, 이는 실험에 사용된 탄 소나노튜브의 물성과 구조에 대한 제어가 제대로 이루어지지 않았으며 이러한 문제점으로 연구자마다 임의의 분말을 사용한데 크게 기인한다. 따라서 탄소 나노튜브를 대용량의 에너지 저장재로 이용하기 위해서는 나노튜브의 물성을 보다 정밀하게 제어하는 기술의 개발과, 또 이에 따른 다양한 구조 튜브들의 수소 및 리튬저장 메카니즘에 대한 보다 명확한 규명이 선행되어야 할 것이다. 아울러 대량생산과 고순도의 나노튜브 생산기술 등 합성공정도 보다 더 개선되어야 할 것으로 생각된다.
따라서 탄소 나노튜브를 대용량의 에너지 저장재로 이용하기 위해서는 나노튜브의 물성을 보다 정밀하게 제어하는 기술의 개발과, 또 이에 따른 다양한 구조 튜브들의 수소 및 리튬저장 메카니즘에 대한 보다 명확한 규명이 선행되어야 할 것이다. 아울러 대량생산과 고순도의 나노튜브 생산기술 등 합성공정도 보다 더 개선되어야 할 것으로 생각된다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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