나노튜브(nanotube)는 지름이 수 나노미터에서 수백 나노미터 크기의 터널 구조를 가진 통 모양(원통형) 분자 또는 분자 집합체를 의미한다. '나노(nano-)'는 그리스어 'nanos'(작은, 미세한)에서 유래한 접두사이고, '튜브(tube)'는 라틴어 'tubus'(관)에서 유래하여, '작은 관'이라는 뜻을 가진다.
구성 성분에 따른 분류 나노튜브는 구성 성분에 따라 크게 네 가지로 나눌 수 있다.
- 탄소 나노튜브(Carbon Nanotube, CNT): 가장 널리 알려진 나노튜브로, 탄소 원자가 육각형 벌집무늬(sp² 결합)로 연결된 그래핀이 원통형으로 말린 구조를 가진다. 1991년 일본 NEC 연구소의 이이지마 스미오(Iijima Sumio) 박사가 전기방전 실험 중 흑연 음극에 형성된 탄소 덩어리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 처음 발견하여 네이처(Nature) 학술지에 발표하였다.
- 비유기 나노튜브: 탄소 외의 원소(예: 질화붕소, 이황화몰리브덴 등)로 이루어진 나노튜브.
- DNA 나노튜브: DNA 분자를 이용하여 자가 조립 방식으로 제작된 나노튜브.
- 멤브레인 나노튜브: 막(membrane) 구조로 된 나노튜브.
탄소 나노튜브의 주요 특징 탄소 나노튜브는 현재까지 알려진 물질 중 가장 높은 인장 강도와 탄성률을 가지며, 이는 탄소 원자 간의 강한 sp² 공유결합에 기인한다. 밀도는 1.3~1.4 g/cm³로 낮지만, 강도는 고탄소강보다 월등히 높다. 그래핀을 말리는 각도(카이랄리티, chirality)와 지름에 따라 금속성 또는 반도체성 전기적 특성을 나타낸다. 또한 열전도율이 매우 높고, 전기장이 클수록 더 수축하는 특성을 지닌다.
종류 벽의 개수에 따라 단일벽 탄소 나노튜브(SWCNT, Single-Walled Carbon Nanotube)와 다중벽 탄소 나노튜브(MWCNT, Multi-Walled Carbon Nanotube)로 구분된다. 다중벽 탄소 나노튜브는 여러 겹의 그래핀이 동심원 형태로 겹쳐진 구조이다.
응용 분야 탄소 나노튜브는 나노기술, 전기공학, 광학, 재료공학 등 다양한 분야에서 연구 및 활용되고 있다. 대표적으로 리튬 이온 배터리의 전극 재료, 반도체 소재, 복합 재료의 첨가제(야구 방망이, 골프채, 자동차 부품 등), 전계 방출 디스플레이, 센서 등에 응용된다.
안전성 탄소 나노튜브의 독성에 관한 연구는 2007년부터 본격적으로 진행되었으나, 데이터는 아직 단편적이다. 특정 조건에서 염증이나 섬유증과 같은 유해 효과를 유발할 가능성이 제기되어, 나노물질 안전성 연구의 중요한 주제로 다루어지고 있다.
