지식더하기 미래를 책임질 탄소나노튜브

연필심을 긁어 나오는 까만 가루(흑연)와 다이아몬드 반지는 도대체 무슨 차이가 있을까? 놀랍게도 둘은 100% 완벽하게 똑같은 '탄소(C)' 원자 덩어리다. 단지 탄소들이 손을 맞잡은 '모양(구조)'이 다를 뿐, 흑연은 종이 쪼가리처럼 찢어지고 다이아몬드는 망치로 때려도 안 부서지는 극단적인 차이를 만들어낸다. 1991년, 일본의 이지마 스미오 박사는 흑연 찌꺼기 속에서 세상에 없던 가장 기괴하고 완벽한 탄소의 모습을 발견했다. 탄소 원자들이 벌집 모양(육각형)으로 쫙 펼쳐진 얇은 그물망을 마치 김밥 말듯 둥글게 둘러 말아 놓은 아주 미세한 빨대 튜브. 머리카락 굵기의 10만 분의 1밖에 안 되는 이 검은색 튜브는 강철보다 100배 튼튼하고 구리보다 전기가 1,000배나 잘 통하는 기적의 스펙을 보여주었다. 현대 나노 공학의 끝판왕이자 미래 소재의 황제, '탄소나노튜브(CNT, Carbon Nanotube)'의 뼈대를 파헤쳐 보자.

벌집이 둥글게 말렸을 때, 초강력 뼈대

탄소 원자 1개는 4개의 팔(전자)을 가지고 있다. 다이아몬드는 이 4개의 팔을 모두 써서 3차원 입체로 꽉꽉 묶어놓은 구조다. 반면 탄소나노튜브(CNT)는 3개의 팔만 써서 평평한 육각형 벌집 그물망(그래핀)을 만들고, 이 그물망을 길쭉한 원통형으로 둥글게 말아버린 2차원적인 구조다. 육각형 벌집 구조는 자연계에서 힘 분산시키는 가장 완벽하고 안정적인 건축학적 형태다. 이 벌집 그물이 원통으로 말려버리자 충격과 끊어짐에 버티는 힘(인장 강도)이 미친 듯이 치솟았다. CNT를 엮어 거미줄 두께의 실로 짜내면, 강철로 만든 와이어보다 무려 100배나 더 강한 무게를 버텨낸다. 코끼리를 매달아도 끊어지지 않는 실이 탄생한 것이다.

남아도는 팔 하나의 기적, 전기가 흐르다

탄소나노튜브의 진짜 마법은 강도가 아니라 '전기'에 있다. 아까 탄소 원자가 팔 3개만 써서 벌집을 만들었다고 했다. 그렇다면 결합에 참여하지 못하고 잉여로 남은 1개의 팔(자유 전자)은 어떻게 될까? 이 외로운 잉여 전자들은 나노튜브의 표면을 타고 구름처럼 미친 듯이 둥둥 떠다니며 고속도로를 달리듯 질주하기 시작한다. 덕분에 전기가 통하지 않는 다이아몬드나 플라스틱과 달리, CNT는 전기를 가장 잘 통하는 구리선보다도 전기를 더 빠르고 빵빵하게(저항 없이) 통과시킨다. 게다가 열을 바깥으로 빼내는 능력(열전도도)도 자연계 최고인 다이아몬드와 맞먹어서, 컴퓨터 칩에서 발생하는 끔찍한 열기를 단숨에 식혀버리는 방열판으로도 쓸 수 있다.

어떻게 마느냐에 따라 금속도, 반도체도 된다

더 기가 막힌 사실은 이 벌집 그물을 어떤 '각도(나선성, Chirality)'로 김밥을 마느냐에 따라 CNT의 직업이 완전히 바뀌어버린다는 것이다. 그물을 일직선으로 딱 맞춰서 둥글게 말면 전기가 콸콸 통하는 '금속(도체)'이 되지만, 그물을 살짝 삐뚤게 사선으로 꼬아서 말아버리면 전기가 통했다 안 통했다 하는 '반도체'로 둔갑해 버린다. 실리콘을 깎고 불순물을 넣어야만 만들 수 있던 반도체 소자를, 그저 탄소 빨대를 비틀어 마는 각도 하나만으로 뚝딱 만들어낼 수 있는 것이다. 이는 실리콘 반도체의 한계를 뚫고 나갈 1나노미터급 초소형 트랜지스터의 혁명적인 재료가 된다.

인류의 궁극의 건축, 우주 엘리베이터

CNT가 가진 '미치도록 가벼운데 강철보다 100배 질긴' 성질은 과학자들에게 미친 상상을 불어넣었다. 지구 적도 표면에서부터 저 멀리 3만 6천 킬로미터 우주 상공의 인공위성까지 긴 밧줄을 연결해 엘리베이터를 짓는 '우주 엘리베이터' 프로젝트다. 기존의 강철이나 케블라 섬유로 이 밧줄을 만들면, 밧줄 자체가 자기 자신의 끔찍한 무게를 이기지 못하고 스스로 끊어져 버린다. 오직 실처럼 가벼운 탄소나노튜브를 엮어 만든 케이블만이 우주의 원심력과 지구의 중력을 동시에 버티며 끊어지지 않는 유일한 희망의 끈이 될 수 있다. ![지구 표면에서 우주로 뻗어 나가는 거대한 우주 엘리베이터의 미래지향적 공상과학 시각화로, 탄소 나노튜브로 만들어진 엄청나게 얇고 부서지지 않는 빛나는 리본에 의해 묶여 있습니다](https://image.pollinations.