Recent Reseach Trend of Boron Nitride Nanotube ... · 기획특집: 질화붕소나노튜브(BNNT, boron nitride nanotube) 22 공업화학 전망, 제20권 제4호, 2017 난 화학적

KIC News, Volume 20, No. 4, 2017 21

1. 서 론1)2

우수한 기계적, 열적, 전기적 특성을 가진 탄소

나노튜브(Carbon Nanotube, CNT)는 지난 20년간

광범위하게 연구되어 다양한 분야에 응용되고 있

으나, 전기적 절연성이 요구되거나 고온 및 산화

환경에 노출되는 경우 등에는 사용이 제한되고 있

다. 1995년 Chopra 연구진에 의해 처음으로 합성

된 질화붕소나노튜브(Boron Nitride Nanotube,

BNNT)는 이러한 문제점을 효과적으로 해결할 수

있는 소재이다.

BNNT는 Figure 1과 같이 CNT의 탄소 원자 대

신 붕소 원자와 질소 원자로 이루어진 구조적 유

사체다. 이로 인해 CNT와는 차별된 고유의 특성

을 가진다. C-C pair로 이루어진 CNT와는 다르게,

B-N pair를 갖는 BNNT는 질소원자의 전기음성도

가 붕소원자에 비해 커서 B-N결합이 분극화되어

특정 유기용매에 분산성을 가진다. BNNT는 tube

의 둘레, 대칭성 및 wall-wall interaction에 무관하

†주저자 (E-mail: [email protected])

게 거의 일정한 값인 5.5 eV의 넓은 밴드갭을 가져 반도체 또는 부도체 성질을 띤다[1]. 따라서 검은

색의 CNT와는 다르게 BNNT는 흰색이다.

전기적 절연물질임에도 불구하고 BNNT의 열

전도성은 CNT와 유사하여 방열소재분야에 응용

이 기대되고 있다[2]. 뿐만 아니라, BNNT는 뛰어

질화붕소나노튜브 정제 및 표면처리 연구동향

이 원 일⋅서 영 수†

세종대학교 나노신소재공학과

Recent Reseach Trend of Boron Nitride Nanotube Purification and Surface

Modification

Won-Il Lee and Young-Soo Seo†

Department of nano techmology&Advanced materials Engineering, Sejong University, Seoul 05006 Korea

Abstract: 질화붕소나노튜브(BNNT: Boron Nitride Nanotube)는 뛰어난 기계적 물성과 전기적 절연성, 높은 열전도도,

열적/화학적 안정성 및 열중성자 흡수 등의 물리화학적 특성으로 인해 다양한 과학기술 분야에서 응용될 수 있는 소재

이다. BNNT의 응용성을 증진시키기 위해서 정제 및 표면개질을 통해 BNNT 합성 공정 중 포함되는 불순물의 제거와

용매와 기재에 대한 상용성을 개선해야 할 필요성이 있다. 이에 본 기고에서는 BNNT의 정제 및 표면처리 연구동향에

대해 소개하고자 한다.

Keywords: Boron nitride nanotube, surface modification, purification, composite

*출처 : J. Mater. Chem., 18, 3900-3908 (2008).Figure 1. Multi-walled boron nitride nanotube (BNNT)의

구조.

기획특집: 질화붕소나노튜브(BNNT, boron nitride nanotube)


22 공업화학 전망, 제20권 제4호, 2017

난 화학적 안정성을 가지고 있어 대부분의 산과

염기에 불활성이며 고온에서의 산화 저항성[3]이

있어 다양한 기재와의 복합화에 유리하다. 또한,

방사선흡수와 뛰어난 기계적 성질로 우주/국방소

재 분야의 활용가능성이 높다[4]. 이러한 뛰어난

특성들로 인해 BNNT는 전자 소자, 광전자 소자,

에너지 저장 소자, 나노전자기계 시스템 및 생체

재료와 같은 다양한 분야에 응용될 가능성이 있는

전도유망한 소재이다[5-6].

BNNT합성 방법으로 아크 방전[7], 레이저 절

삭법[8], 볼 밀링[9], 대체 화학 반응[10] 및 화학

기상 증착법[11]과 같은 다수의 방법들이 연구되

었으나 대량 생산과 순도 향상은 해결해야 할 과

제로 남아있다.

BNNT 합성 공정 중 발생하는 불순물은 미반응

보론 화합물와 촉매 입자, BN 입자 등으로 구성

되어있다. 따라서, BNNT 응용성을 개선하기 위해

서는 효과적으로 불순물을 제거하는 정제공정이

필요하다. 또한, 일반적으로 BNNT는 유기 및 수

성 용매에 분산되지 않으므로 제조 공정성 및 생

물학적 시스템과의 상용성이 좋지 않다. 이를 극

복하기 위해 BNNT의 기능화 및 가용화에 대한

연구가 진행되고 있으며, 튜브가 균일하게 분산되

어진 용액을 제조함으로써 다양한 응용분야에서

활용될 수 있을 것이다[12]. 본 기고에서는 BNNT

정제공정 및 가용화에 관한 최근의 연구결과를 소

개한다.

2. 정제 공정

고순도의 BNNT를 얻기 위한 다양한 정제 연구

가 진행되고 있다. 대표적으로 정제 공정은 산처

리, 열처리 및 표면개질을 통한 분리공정으로 나

뉘어진다. 아래에는 각 정제 공정의 연구동향을

정리하였다.

2.1. 산처리 정제

BNNT 합성시 대부분의 경우 Fe, Mg, Cr 등과

같은 금속 입자를 촉매로 사용하며, 합성 후 tube

끝 또는 tube 내부에 포함되어 불순물이 된다.

BNNT는 내산성이 강하므로 산처리를 통해 금속

불순물을 제거할 수 있다.

Chen 연구진은 염산으로 금속 불순물을 용해하

여 정제하였다[13]. 먼저, 합성한 BNNT를 에탄올

에서 초음파 처리한 후, 90 ℃ 염산으로 반응시키

어 금속 불순물을 제거했다. Figure 2의 XRD data

와 같이, 산처리 후 BNNT 내에 존재하는 Fe 및

Cr의 농도가 급격히 감소함을 알 수 있다. 이외에

도 질산이나 왕수를 이용한 연구도 진행되었다

[14-16]. 금속 산처리의 화학식은 다음과 같다.

Fe(Cr) + HCl → Fe(Cr)Cl3 + H2↑

비록 산처리 방법이 금속 불순물을 제거하는 데

효과적이지만, WC, ZrO2 및 붕소 화합물과 같은

산 불용성 세라믹 불순물은 제거할 수 없으며 질

산과 같은 강산 처리 시 tube가 손상되어 유발하

는 문제점이 있다.

2.2. 열산화 정제

미반응 보론이나 질화붕소(BN) 입자는 내산성

이 강하므로 산처리 만으로는 제거할 수 없으므로

열산화하여 정제한다[17-18]. BNNT 대비 미반응

보론과 보론 화합물의 산화반응성이 더 크기 때문

*출처 : Chemical Physics Letters, 425, 315-319 (2006). Figure 2. XRD pattern (a) 합성된 BNNT, (b) 분산시킨

BNNT, (c) 산처리한 BNNT.



에 산소분위기에서 가열하여 수용성의 산화 보론

(B2O3)으로 전환한다.

B + O2 → B2O3

BN + O2 → B2O3 + NO↑ + NO2↑

TGA와 TEM 분석으로 미반응 보론과 BN입자

등은 800 ℃ 이하에서 산화되고 그 이상의 온도에

서는 BNNT가 산화되는 것으로 관찰되었다[17].

또한, 가열 후와 증류수로 세척한 샘플의 XRD

pattern을 보면 가열하여 생성된 B2O3의 피크가 세

척 후 효과적으로 제거된 것을 확인할 수 있다

(Figure 3).

2.3. 비화학적 표면개질을 통한 정제

산처리 및 열산화처리 정제공정은 단순하고 대

용량 처리의 장점이 있지만 BNNT에 화학적 손상

을 일으킬 수 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해

비화학적 표면개질을 통한 정제가 시도되었다. 이

방법은 유기화합물을 BNNT 표면에 부착하여

BNNT만을 선별적으로 용매에 대한 용해도를 증

가시키어 불용성의 불순물을 제거하는 방법이다.

C. Y. Zhi 연구진은 BNNT에 나선형 구조를 가

지는 공액고분자 poly (m-phenylene vinylene-co-2,

5-dioctoxy-p-phenylenevinylene) (PmPV)로 BNNT

를 감싸서 용매 가용성의 BNNT를 제조하였다

[19]. PmPV 처리한 샘플을 chloroform과 혼합하

여 용액을 제조하고 원심 분리한 후 상등액을 추

출한 후 가열하여 용매 및 고분자는 제거하고

BNNT만을 회수하였다. Figure 4에서 tube구조의

손상 없이 정제된 BNNT를 확인할 수 있다.

Y.-S. Seo 연구진은 amine-terminated poly

(ethylene glycol) (amine-PEG), polyoxy propylene

diamine (OPA), randomly oxidized polyethylene

wax (oxi-PE wax) 고분자를 사용하여 BNNT를

개질하여 정제하였으며 정제된 정도를 Raman

scattering으로 분석하였다[20]. Raman spectra 분

석 결과 정제한 샘플의 반치폭은 감소하였고 peak

center는 BN의 고유 진동 peak (1365 cm-1)에 근

접해졌다. Raman 분석을 통해 정제 정도를 분석

할 수 있음을 확인하였다(Figure 5).

표면개질을 이용한 정제는 tube 구조에 손상을

주지 않고 가장 정제 효과가 뛰어나나 비용이 많

*출처 : Chemical Physics Letters, 425, 315-319 (2006). Figure 3. 각 온도별 XRD pattern (a) 750 ℃, (b) 800 ℃,

(c) 850 ℃, (d) (b) 샘플을 증류수로 세척한 후.

*출처 : J. Phys. Chem. B., 110, 1525-1528 (2006).Figure 4. TEM 사진 (a) 합성된 BNNT, (b) 정제된 BNNT,

(c) 용해되지 않은 불순물.

*출처 : Materials Research Bulletin, 48, 1197-1203 (2013).Figure 5. Raw BNNT 및 정제된 BNNT (amine-PEG, OPA,

Oxi-PE)의 Raman spectra 분석.


24 공업화학 전망, 제20권 제4호, 2017

이 들며 공정이 복잡한 단점이 있다. 따라서 각 연

구 목적에 따라 적합한 정제 공정을 선별적으로

활용하는 것이 효과적이다.

3. 표면개질 연구

표면개질을 통하여 BNNT의 용매 및 기재에 대

한 분산성을 증진시킬 뿐 아니라 기능성을 보강하

여 센서 등 전자계통 및 생물학적인 응용을 포함

한 다양한 분야로의 적용이 가능하다. BNNT 기

능화 표면개질 방법으로는 공유결합, pi 스태킹 상

호작용, non-specific (비특이적) 상호작용, 나노입

자 흡착 등으로 나눌 수 있다. 이에 대해 성공적으

로 BNNT 표면개질 한 사례를 설명하고자 한다.

3.1. 공유결합을 이용한 표면개질

공유결합을 이용한 화학적 기능화는 B-N 결합

에 발생한 결함 부분에서 일어난다. 대부분의 합

성공정은 BNNT를 성장시킬 때 NH3를 반응물로

사용하는데, 이때 빈번하게 BNNT의 N site에서

N-H가 생성된다. N-H는 다양한 화학반응성을 갖

는 amine기와 유사한 반응성을 가지므로 많은 표

면개질이 B site보다는 N site에서 발생한다[21].

BNNT 표면에 공유결합된 분자는 molecule dop-

ing 효과를 유도할 수 있고 이는 실험 및 이론적

계산에 의해 밝혀졌다[22-23]. BNNT 표면에 부착

된 분자들은 전기음성도 및 극성도에 따라 p-dop-

ing 또는 n-doping 효과를 유도할 수 있으며 화학

적 기능화를 통해 구조적 인자에 거의 영향을 받

지 않는 BNNT의 전기적 성질을 개질할 수 있다.

C. Y. Zhi 연구진은 화학기상증착법(Chemical

vapor deposition, CVD)으로 합성한 BNNT를 사

용하여 stearoyl chloride의 COCl기와 BNNT의

N-H기 간의 화학반응을 통해 개질하였다[24]. 개

질 후에 긴 alkyl 사슬이 BNNT 표면에 부착되었

으며 FTIR을 이용하여 확인하였다. 개질된 BNNT

는 다양한 유기 용매에서 분산성이 향상되었다.

이와 유사하게 짧은 alkyl기, naphthalene기와 같

은 다양한 기능기를 공유결합을 이용하여 BNNT

표면에 부착할 수 있다(Figure 6). 예를 들어 poly-

styrene (PS), polymethyl methacrylate (PMMA)와

같은 고분자 중합체를 BNNT 표면에서 원자이동라

디칼중합 (Atom-transfer radical polymerization,

ATRP)을 통해 부착되어 BNNT와 고분자 매트릭

스 사이의 계면 상호작용을 개선하였다[25].

공유결합 기능화의 또 다른 예는 SN2 친핵성 치

환 반응을 이용하여 BNNT의 표면을 개질한 경우

와[26], dimethylsulfoxide (DMSO)를 이용하여

BNNT wall을 박리할 때 발생하는 결함을 이용하

여 화학적 표면개질을 하는 공정이 보고되었다[27].

실제로 BNNT 표면의 N-H 밀도가 매우 낮아

효율적인 기능화를 위해서는 N-H 수를 증가시켜

야 한다. Ikuno 연구진은 암모니아 플라즈마 처리

를 통하여 다량의 N-H를 생성하였고 이로 인해

chloroform과 같은 유기용매에서의 가용성을 향상

시키었으며, COCl기를 갖는 화학물질을 공유결합

으로 기능화시켰다[28-29].

BNNT의 수용액에서의 분산성을 향상시키기

위해, BNNT 표면의 B site에 공유결합 기능기를

부착하는 연구도 진행되었다. G. Ciofani 연구진

은 BNNT의 B site에 3-aminopropyl- triethox-

ysilane (APTES)를 부착하였고[30], T. H. Ferreira

연구진은 BNNT를 산처리하여 B site에 hydroxyl

기를 부착한 후 glycol chitosan 사용하여 공유결

합으로 기능화하였다.

H. Shin 연구진은 BNNT를 tetrahydrofuran (THF),

나트륨, 나프탈렌이 혼합된 용액으로 처리하여

BNNT를 화학적으로 환원한 후 1-bromohexane을

*출처 : PHYSICAL REVIEW B, 74, 153413 (2006).Figure 6. 화학 반응에 의해 공유 기능화된 BNNT의 개략

도 (a) CH3(CH2)2CO-BNNT와 (b) C10H7CO-BNNT.



부착하였다. 환원으로 인해 B site의 반응성을 증

가시키어 BNNT 표면에 1-bromohexane을 부착하

였다(Figure 7)[31].

3.2. pi-pi 상호작용을 이용한 표면개질

공유 결합 뿐만 아니라 상대적으로 결합 세기가

약한 상호작용을 이용하여 BNNT를 기능화 시킬

수 있다. 공유 결합을 이용한 기능화는 BNNT의

특성을 변형시킬 수 있는 반면, 약한 상호작용을

통한 기능화는 BNNT의 고유특성이 보존된다.

약한 상호작용의 한 종류인 pi 스태킹 상호작용

은 자연계에서 일반적으로 발생하는 결합 중 하나

이다. BNNT는 발달된 pi 전자구조를 가지고 있으

므로 BNNT에 분자를 부착하는 데 pi 스태킹 상호

작용을 이용할 수 있다.

Z. Gao 연구진은 BNNT의 수용액 분산성을 향

상시키기 위해 flavin mononucleotide (FMN)분자

를 BNNT에 부착하였으며 IR 및 UV 분석을 통해

FMN과 BNNT가 pi 스태킹으로 강하게 연결된 것

을 확인하였다[32].

또한, 앞서 정제부분에서 언급한 PmPV 공액고분

자는 pi 스태킹 상호작용을 응용한 경우이다

[33-34]. 이 고분자가 갖는 나선형 구조가 pi 스태

킹 상호작용을 유도하는 것으로 알려져 있다. 이

러한 PmPV로 기능화되어진 BNNT의 결합안정성

은 PmPV-BNNT 복합체의 cathodoluminescence

(CL)의 발광강도저하와 청색편이(blue shift) 현상

과 UV-vis spectra 분석으로 확인하였으며(Figure

8), 이 복합체는 chloroform 및 DMF와 같은 다양

한 유기 용매에 용해되는 것으로 관찰됐다[35].

CL 발광강도저하 현상과 청색편이 현상은 축방향

전기분극을 갖는 BNNT가 PmPV와 효과적으로

전하를 이동하기 때문이며 이를 통해 계면 결합상

태를 가늠할 수 있다[36-37].

Y. Martinez 연구진은 음향화학적 방법을 이용

하여 BNNT 표면에 pi 스태킹 상호작용으로 re-

gio-random poly(3-hexyl-thiophene) (rra-P3HT)을

부착하였다[38]. 이 상호작용으로 rra-P3HT 구조

가 변하여 색상변화가 일어났으며(Figure 9) 유기

용매에 대한 분산성이 향상되었다.

Polyanilne (PANI)[39], zinc phthalocyanine

(ZnPc)[40-41], single-stranded DNA (ss-DNA)

[42] 등과 같은 분자들도 BNNT와 pi 스태킹 상호

작용으로 결합할 수 있다. PANI 분자와 BNNT를

DMF 용매에 혼합한 후 초음파 처리하여 PANI-

BNNT 복합체 필름을 제작하였으며, ZnPc-BNNT

복합체 경우에는 형광분광기를 통해 강한 전자전

달 현상이 관찰되었다. ss-DNA-BNNT 복합체는

*출처 : Acs nano, 12, 12573-12582 (2015).Figure 7. BNNT를 화학적으로 환원한 후 B site에

1-bromohexane 기능화한 개략도.*출처 : J. Am. Chem. Soc., 127, 15996-15997 (2005).Figure 8. BNNT, PmPV, BNNT-PmPV 복합체의 (a) CL

spectra 및 (b) UV-vis 흡착 spectra.

*출처 : J. Phys. Chem. C, 119, 26605-26610 (2015).Figure 9. BNNT, rra-P3HT, rra-P3HT/BNNT 복합체의 (a)

사진 및 (b) UV-vis 스펙트럼.


26 공업화학 전망, 제20권 제4호, 2017

수용액 내에서 용해도가 증가하였다. 고농도

BNNT가 분산된 수용액을 제조한 후 여과하였을

때 BNNT의 네마틱(nematic) 정렬이 관찰되었다

(Figure 10).

3.3. 기타 상호작용을 이용한 표면 개질

앞서 정리한 두 가지의 경우를 제외한 표면개질

의 연구 동향을 아래에 정리하였다.

단백질과 같은 생체 분자는 비특이적 상호작용

을 기반으로 BNNT에 고정화되는 것으로 보고되

었다[43]. S. mukhopadhyay 연구진은 단백질 구성

요소인 극성 및 무극성 아미노산과 BNNT 간의 상

호작용에 대해 연구하였다[6]. 무극성 아미노산인

tryptophane (Trp)는 BNNT 표면에 van der waals

상호작용으로 부착되었으며 극성 아미노산인 as-

paratic acid (Asp) 및 argenine (Arg)는 정전기적

상호작용으로 부착되었다.

아미노산과 BNNT의 결합 에너지는 Arg-BNNT,

Asp-BNNT 및 Trp-BNNT에 대해 3.53, 0.94 및

0.36 eV이다(Figure 11). 이에 반해 무극성의 CNT

표면과 아미노산의 결합에너지는 0.46, 0.19, 0.16

eV로 측정되어 BNNT의 극성으로 인해 아미노산

과의 결합 에너지가 강한 것을 확인하였다[44]. 이

로 인해 별도의 coupling reagent 없이 단백질이

BNNT에 고정화될 수 있는 것을 확인하였다.

BNNT와 극성분자 간의 상호작용은 이론적 분

석으로도 검증되었다. Amine류의 분자가 극성상

호작용으로 BNNT 표면에 상당히 안정하게 붙을

수 있음을 제시하여 극성분자를 이용한 BNNT의

정제가 가능함을 보였다[45].

이온성 액체(ionic liquid, IL)의 유기 양이온은

양이온-파이(cation-pi) 상호작용을 통해 BNNT와

결합하여 젤 형태가 된다. C. Y. Zhi 연구진은

BNNT가 젤 안에서 고르게 분산되어졌으며 이는

BNNT 구조에 손상을 가하지 않는 공정이라고 발

표하였다[26]. 초음파 처리하여 분산한 BNNT는

잘려져서 길이가 2-5 µm 정도이지만 이온성 액체

로 만들어진 젤에 분산된 BNNT의 길이는 5-10

µm를 유지하였다. 또한, BNNT가 첨가되어 젤 내

에 정렬된 상이 발생하였으며 이는 시차주사열량

계(differential scanning calorimetry, DSC)와 tem-

perature dependent XRD를 이용하여 확인하였다

(Figure 12)[46]. 정렬된 상은 이온성 액체 분자의

배열로 인해 생성되었으며 이론적인 계산으로 양

이온과 BNNT 사이의 상호작용이 양이온과 중성

분자 사이의 상호작용보다 훨씬 강하여 분자 정렬

에 유리함을 알 수 있다.

또한, Xie 연구진은 BNNT를 amine terminated

polyethylene glycol (PEG)로 표면처리하여 우수

한 수용해성을 얻었으며 이때 고분자의 아민기가

BNNT의 B site와 상호작용한다고 제시했다[12].

*출처 : J. Chem. Asian., 2, 1581-1585 (2007).Figure 10. (a), (b) 고농도 및 (c), (d) 저농도의 BNNT 용액

으로 제조한 필름의 SEM 이미지. *출처 : J. Phys. Chem. Lett., 2, 2442-2447 (2011).Figure 11. BNNT와 상호작용하는 아미노산 분자의 거리에

따른 potential 에너지 변화.



Shrinwantu 연구진은 BNNT의 B site는 본질적

으로 전자가 부족하므로 BNNT가 루이스 산으로

작용할 수 있다고 보고했다[47]. 따라서, BNNT와

루이스 염기(alkylamines과 phosphines)의 상호작용

을 통해 유기 용매에서 분산 안정성이 향상되었다.

또한, Lee 연구진은 약물 전달 연구에서 많이

사용되는 물질인 methoxy-poly(ethylene glycol)-

1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanol amine-N

conjugates (mPEG-DSPE)를 이용하여 BNNT를

개질하였다[48-49]. mPEG-DSPE/BNNT는 생체

적합성이 뛰어나고 수용액과 유기 용매 내에서 가

용성이 향상되었다. mPEG-DSPE 분자는 DSPE의

지방산 사슬이 반데르발스 힘, 전하이동 또는 소

수성 상호작용을 통해 BNNT에 강하게 흡착하며

[50-52], mPEG의 친수성으로 인해 물에 분산될

수 있다. 이로 인해 mPEG-DSPE/BNNT를 물에

분산시켜 제조한 용액은 3개월 이상 지나도

BNNT의 응집이 일어나지 않고 안정한 분산상을

유지하였다.

3.4. 나노입자 표면개질

고유의 특성을 가진 무기나노입자와 BNNT의

복합화로 다양한 특성을 가진다.

BNNT와 다공성 silica를 부착하고 아민화하여

수용액 내에서의 분산안정성을 향상시키고 약물 분

자와 결합하여 생체의학 분야에의 응용을 가능하게

하였다[53]. 또한, BNNT에 매우 강한 친화력을 가

지는 SnO2 나노입자는 단순한 wet 공정을 통해서

쉽게 BNNT 표면 또는 내부에 복합화되었다

[54-55]. XRD 분석을 통해 SnO2 나노입자와

BNNT 사이의 강한 상호작용으로 유도된 압축응력

에 의해 SnO2 나노입자의 격자거리가 변하는 현상

이 관찰되었다. SnO2 복합화로 인해 BNNT의 uric

acid에 대한 검출 민감도가 대폭 향상되었다[56].

Au 나노입자를 황을 사용하지 않고도 BNNT

표면의 N-H기와 직접적으로 부착하였다[57].

BNNT에 부착된 Au 나노입자는 탄소 나노구조

및 반도체 나노와이어를 성장시키고 BNNT-나노

와이어 헤테로 접합을 형성하기 위한 촉매로서 사

용되었다.

또한, R. Z. Chen 연구진은 초음파 처리하여 Fe3O4

나노입자를 BNNT에 부착하였다[58]. Fe3O4로 표

면개질된 BNNT는 효과적으로 수용액 내에 존재

하는 비소를 흡착할 수 있으며 수용액 내의

BNNT를 자기장을 이용하여 쉽게 회수하였다

(Figure 13).

Y. YU 연구진은 BNNT 표면에 Pd 나노입자로

개질함으로써 BNNT의 촉매 활성 및 수소 흡착

능력을 향상시켰으며[59], 이와 유사하게 M.

Mananghaya 연구진은 BNNT 표면에 전이금속을

부착하여 수소 저장능력을 향상시켰다.

*출처 : J. Phys. Chem. C, 111, 18545-18549 (2007).Figure 12. BNNT-IL 젤의 DSC curve; 사용된 이온성 액체는

(a) 1-ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate

(EMITf2), (b) 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate

(BMIBF4), (c) 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluoropho-

sphate (BMIPF6) 이다.


28 공업화학 전망, 제20권 제4호, 2017

4. BNNT-고분자 복합체

마지막으로, 표면개질한 BNNT를 사용하여 고

분자의 성능을 향상시킨 복합화 연구를 소개한다.

표면개질된 BNNT는 고분자 기재와의 친화성

이 향상되어 고분자 복합체에 유용하게 사용될 수

있다. 기존의 충진제와 비교하여 BNNT의 장점은

높은 탄성률, 고 열전도성, 전기 절연성 및 우수한

산화방지 능력이다.

C. Y. Zhi 연구진은 고분자 복합체의 탄성률을

향상시키기 위해 BNNT를 PmPV로 표면개질한

후 용액 공정을 이용하여 polystyrene (PS)/BNNT

복합체를 제조하였다[60]. 제조된 복합체 필름은

우수한 투명성을 유지했으며 BNNT 1 wt%를 첨

가하였을 때, 복합체의 탄성률은 최대 27% 증가

되었다.

V. K. Thakur 연구진은 Poly(vinyl difluoro-

ethylene (PVDF)의 기계적 성질을 강화하기 위해

dopamine으로 표면개질한 BNNT를 첨가하여 복

합체 필름을 제작하였다[61]. 이 필름은 PVDF 및

PVDF/BNNT에 비해 탄성률 및 항복강도가 향상

되었으며 열팽창 계수가 감소하였다(Figure 14).

T. Terao 연구진은 고함량의 BNNT를 첨가하여

고열전도성 고분자 복합체를 제작하였다[2]. 실험

적으로 밝혀진 BNNT의 축 방향 열전도도(200-300

W/mK)가 면방향의 열전도도(20-30 W/mK)보다

매우 크므로[62-63], 고분자 내에서 BNNT가 축

방향으로 정렬된 배열을 가지고 있을 경우 열전도

도가 크게 향상될 것이다. Polyvinyl alcohol

(PVA) 수용액에 과산화수소를 이용하여 표면개질

한 BNNT (10 wt%)를 분산하여 전기방사법을 이

용하여 BNNT가 섬유 길이방향으로 정렬된 나노

섬유를 제작하였다[64]. Figure 15에 보이는 바와

같이 BNNT가 한 방향으로 정렬된 복합체의 축방

*출처 : J. Colloid and Interface Science, 359, 261-268 (2011).Figure 13. 자기장을 이용하여 물에 분산된 BNNT (좌)와

Fe3O4-BNNT (우)가 시간에 따라 분리되어지는 사진 (a) 분

산 직후, (b) 10 min 경과, (c) 2 h 경과.

*출처 : J. Polym. Chem., 3, 962-969 (2012).Figure 14. PVDF과 PVDF-BNNT 복합체, dopamine으로

표면개질된 PVDF-BNNT 복합체의 열기계 분석결과.

*출처 : J. Phys. Chem. C, 114, 4340-4344 (2010).Figure 15. BNNT가 정렬된 복합체의 모식도 : 방식 A는

BNNT가 평행하게 적층되고 방식 B에서는 BNNT가 90°로

교차되어 적층.



향 열전도도가 고분자에 비해 440% 향상되는 결

과를 얻었다.

5. 결 론

BNNT는 고유의 우수한 특성으로 인해 주목받

고 있으며 이를 응용하기 위한 BNNT의 정제, 표

면개질 및 복합체에 대한 연구가 활발히 진행되고

있다.

BNNT 합성공정 중 발생하는 불순물을 정제하

기 위한 열처리와 산처리 등 다양한 정제 방법이

개발되었다. BNNT의 정제 및 응용성을 개선하기

위해 공유 결합, pi 스태킹 상호작용, 다양한 비특

이적 상호작용을 통해 다양한 유기물로 BNNT 표

면을 개질하는 공정이 개발되었으며, 나노입자로

표면개질하여 BNNT의 기능성을 보강하는 연구

도 다양하게 진행되었다. 하지만, 보다 다양한 용

매와 기재에 대한 분산기술은 여전히 도전과제로

남아있다. 정제와 표면개질을 통해 제조된 BNNT-

고분자 복합체는 BNNT의 고유물성을 활용하는

분야 예를 들어, 전기절연성과 고열전도성을 동시

에 필요로 하는 분야 등 다양한 분야에 효과적으

로 적용될 것이다.

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New York at Stony Brook2003∼2004 미국 표준연구원 (NIST)2005∼2006 LG화학기술원

2006∼현재 세종대학교 나노신소재공학과

교수

이 원 일2009∼2016 세종대학교 나노공학과 학사

2016∼현재 세종대학교 나노신소재공학과

석사

Documents

Recent Reseach Trend of Boron Nitride Nanotube ... · 기획특집: 질화붕소나노튜브(BNNT, boron nitride nanotube) 22 공업화학 전망, 제20권 제4호, 2017 난 화학적