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다음 글의 <실험 결과>에 대한 분석으로 적절한 것만을 <보기>에서 모두 고르면?
탄소나노튜브(CNT)는 탄소 원자들이 육각형 모양으로 연결된 그래핀이 원통형 구조로 되어있는 신소재이다. CNT는 단일벽 나노튜브(SW-CNT), 이중벽 나노튜브(DW-CNT), 다중벽 나노튜브(MW-CNT) 세 종류뿐이다. SW-CNT는 한 겹의 그래핀이 원통형 모양을 갖는 구조이며 DW-CNT는 두 겹의 그래핀이 동심(同心)의 원통을 이루고 있다. 반면 MW-CNT는 3겹 이상의 그래핀이 동심의 원통을 이룬다. CNT에는 육각형 모양의 결정 구조에서 배열이 깨진 비결정 부분이 일부 존재하는데, 비결정 부분이 전체 CNT에서 차지하는 비율이 작을수록, 즉 결정성이 클수록 CNT의 물성이 우수하다.
라만 분석법은 시료에 쏘아 준 레이저가 산란하면서 파장이 변하는 라만 현상을 이용하는 방법이다. 이를 통해 CNT 샘플의 결정성과 CNT 샘플 속 3종의 CNT의 존재에 관한 정보를 얻을 수 있다. 라만 스펙트럼은 파장에 반비례하는 값인 파수를 가로축으로, 빛의 세기를 세로축으로 하는 곡선으로 표현된다. CNT 샘플에서는 공통적으로 파수 1,590 cm⁻¹ 근처인 G 밴드에서 피크가 나타난다. 또한 비결정 부분이 있을 때 파수 1,340 cm⁻¹ 근처인 D 밴드에 피크가 나타나는데, G 밴드의 피크 높이를 D 밴드의 피크 높이로 나눈 값이 클수록 CNT 샘플의 결정성이 크다. 또한, CNT 샘플에 SW-CNT나 DW-CNT가 존재할 때 그리고 오직 그때에만 파수 300 cm⁻¹ 이하에서 피크가 나타난다.
한 연구자는 CNT 샘플 α, β, γ를 확보하고 라만 분석을 수행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
<실험 결과>
α와 β의 D 밴드의 피크는 높이가 서로 같았으나 G 밴드의 피크는 α가 β보다 높았다. 또한 β는 D 밴드의 피크보다 G 밴드의 피크가 더 높았다. γ의 경우 D 밴드의 피크와 G 밴드의 피크는 높이가 같았고, 이 높이는 β의 D 밴드의 피크의 2배였다. 파수 300 cm⁻¹ 이하에서의 피크는 β에서만 관찰되었다.
<보 기>
ㄱ. 결정성이 큰 것부터 CNT 샘플을 차례로 나열하면 α, β, γ 이다.
ㄴ. α와 달리 β는 2종 이상의 CNT로 이루어져 있다.
ㄷ. γ는 MW-CNT로만 이루어져 있다.
- ①ㄴ정답
- ②ㄷ정답
- ③ㄱ, ㄴ정답
- ④ㄱ, ㄷ정답
- ⑤ㄱ, ㄴ, ㄷ정답
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정답 근거
결정성은 G 피크/D 피크로 비교한다. α와 β의 D 높이를 d라 하면 Gα＞Gβ＞d이므로 Gα/d＞Gβ/d＞1이다. γ는 G와 D가 같아 비율이 1이다. 따라서 ㄱ의 결정성 순서 α＞β＞γ는 옳다. 낮은 파수의 피크 존재를 L, 단일벽·이중벽의 존재를 S·D라 하면 L↔(S∨D)이다. β에서 피크가 관찰되었다고 해서 두 종류가 모두 있거나 다른 종류와 섞여 있어야 하는 것은 아니다. 단일벽 한 종류만으로도 설명되므로 ㄴ은 틀리다. γ에는 낮은 파수의 피크가 없으므로 단일벽과 이중벽이 모두 없고, 제시된 세 종류 중 다중벽만 남는다. ㄷ은 옳으며 정답은 ④이다. 피크 높이의 절댓값이 아니라 비율을 비교하고, ‘또는’을 ‘둘 다’나 ‘둘 이상’으로 확대하지 않는다.