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21세기에 접어들면서 나노 과학 기술이라는 새로운 영역이 태동하게 되었고, 이러한 나노과학은 21세기를 선도해 나갈 수 있는 과학기술로써 부각되고 있다.

탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)는 ‘꿈의 신소재’, ‘21세기 나노 기술의 보석’으로 불리면서 나노과학기술의 대표적인 나노물질로 각광을 받고 있다. 처음에는 대학과 연구소를 중심으로 연구가 시작돼 일부 중소기업을 중심으로 탄소나노튜브 생산과 응용제품에 대한 연구가 진행되어 왔으며, 최근에는 한화나노텍, 금호석유화학, 효성 등의 대기업이 진출하면서 소재 및 응용제품의 상용화 실현을 앞당기고 있다.

탄소나노튜브의 응용분야로는 고기능성 복합체, 에너지 저장 소재/첨가제, 조명, 단전자소자, 트랜지스터 등이 있다. 이중에서 상업화 관점에서 가장 각광을 받고 있는 분야는 탄소나노튜브를 충전제로 사용하여 특성을 향상시키는 고분자 복합플라스틱과 에너지 저장소재 등이다.

△탄소소재의 팔방미인

탄소나노튜브는 1991년 일본 NEC 부설연구소의 이지마 박사가 길이 수십 nm ~ 수 ㎛, 외경 2.5~30 nm의 가늘고 긴 빨대모양의 탄소로 이루어진 나노튜브를 발견했으며, 최근에는 탄소나노튜브의 대량합성을 목적으로 기상화학증착법(CVD)을 주로 사용하고 있다.

탄소로 이루어진 결정체들의 집합을 ‘탄소 동소체’라고 한다. 지금까지 알려진 탄소동소체로는 다이아몬드, 흑연, 플러렌, 탄소나노튜브가 있다. 다이아몬드는 정사면체를 이루며, 탄소나노튜브는 나노크기의 직경으로 실린더형태로 말려서 이루어진 형태이다. 하나의 층이 말려서 이루어진 경우를 단일벽 탄소나노튜브, 두 개 이상의 층이 말려서 이루어진 경우를 다중벽 탄소나노튜브라고 한다.

탄소나노튜브는 높은 강도, 낮은 전기비저항, 높은 열전도율을 보유한 ‘꿈의 신소재’이다. 실례로 다중벽 탄소나노튜브의 밀도는 알루미늄보다 낮지만, 인장강도는 철(A36 steel)보다 약 370배 이상 강하며, 전기비저항과 열전도율은 각각 구리 및 다이아몬드와 유사한 값을 가져 가볍고 강한 전기도선과 방열 소재로 사용할 수 있다.

△첨단산업소재의 소금

나노미터 직경을 보유한 탄소나노튜브의 1차원적 구조와 더불어 독특하고 우수한 전기적, 물리적 및 화학적 특성 때문에 고기능성 복합소재에서 트랜지스터와 분석용 소재 등 응용분야가 다양하다. 탄소나노튜브 복합체는 탄소나노튜브를 수지 내에 분산시켜 만든 복합체이며, 일반적으로 고분자의 특성을 유지하면서 충전제(filler)의 특성을 가진 기능성 재료가 된다. 탄소나노튜브 복합소재는 반도체 칩트레이(Chip tray)등의 대전방지가 필요한 플라스틱에 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 전자파 차폐용 플라스틱과 LED에서 발생되는 열을 방출하기 위한 방열 플라스틱 등 응용분야가 다양하다.

△유연투명전극

최근 탄소나노튜브를 이용한 응용분야로 각광은 받고 있는 것은 유연투명전극이다. 탄소나노튜브를 이용한 투명전극은 대부분 수입에 의존하는 기존의 ITO (Indium Tin Oxide) 투명전극을 대체할 수 있을 뿐만 아니라, 유연디스플레이에 적합한 소재로써 시장을 선점할 수 있는 계기가 될 것으로 기대되고 있다. (주)상보는 2013년 7월말에 경기도 양촌에 탄소나노튜브 투명전극 공장을 완공해 월 20만개의 터치센서를 생산중이며, 2014년에는 월 300만개 규모로 확대할 계획이다. 탄소나노튜브를 소재로 한 투명전극은 향후 액정표시소자(LCD), 유기발광 표시소자 (OLED), 전자종이와 태양전지 등의 다양한 소자에 응용될 전망이다.

△다기능성 플라스틱

탄소나노튜브를 이용한 다기능성 플라스틱 개발도 활발히 진행 중이다. 정부에서는 2010년부터 세계시장을 선점하기 위한 10대 핵심소재(WPM, World Premium Materials)로써 에너지 절감용 나노복합소재를 선정, WPM사업에 2018년까지 1조원의 정부 연구개발자금을 투입할 계획이다. 또 5조3000억원의 기업투자를 유도하여 세계 3200억 달러 규모의 시장에서 325억 달러를 창출한다는 계획이다. 이중 에너지 절감용 나노복합소재는 초경량 구조용, 에너지 흡수용, 에너지 절감용 고방열 나노복합소재로 구분되어 있으며, 한국탄소융합기술원은 탄소나노튜브를 비롯한 나노탄소소재를 이용한 전자파 차폐특성을 구현하는 에너지 흡수용 나노복합소재 개발에 참여하고 있다.

△에너지 저장소자

탄소나노튜브는 에너지 저장소자의 첨가제로도 각광을 받고 있다. 탄소나노튜브를 리튬이온 이차전지의 음극, 양극에 첨가할 경우 전기전도성을 향상시키며, 이는 충방전 시간을 단축하고 수명을 연장시킬 수 있다. 실제로 일본의 소니사는 탄소나노튜브를 적용한 리튬이온 이차전지를 개발하고 있으며, 미국 택사스대학은 양극물질로 실리콘 입자와 하이드로겔(Hydrogel) 및 탄소나노튜브를 이용하여 대용량 고수명의 리튬이온 배터리를 개발하였다. 더욱이 세계적으로 웨어러블 디스플레이의 개발이 본격화됨에 따라서 탄소나노튜브를 이용한 고용량, 장수명 및 급속 충방전이 가능한 웨어러블 배터리의 개발이 각광을 받고 있다. 뉴저지 공대(NJIT)에서는 탄소나노튜브를 이용한 휘어지는 배터리를 개발하였고, 라이스 대학에서는 어떤 표면에도 인쇄할 수 있는 탄소나노튜브가 첨가된 리튬이온 배터리를 개발하였다. 국내에서는 2013년에 삼성전자와 LG전자에서 휘어지는 스마트폰이 출시된데 이어 탄소나노튜브를 이용한 휘어지는(Flexible) 배터리 개발에 박차를 가하고 있다.

△섬유의 개발

탄소나노튜브로 구성된 섬유의 개발은 탄소섬유를 능가하는 특성을 보유할 것으로 예상된다. 2000년대 초반부터 미국 달라스의 텍사스대와 라이스대를 중심으로 탄소나노튜브 섬유개발을 활발히 진행하고 있다. 특히 라이스대학에서는 소형 LED전구에 전기인가 및 지지가 가능한 탄소나노튜브 섬유를 개발하였다.

국내의 한국전기연구원에서는 전기전도도 ~50,000 S/m, 인장강도 122.4 MPa을 보유한 다중벽 탄소나노튜브섬유를 개발하였다. 이는 앞으로 유연소자의 전극에서 웨어러블 디스플레이까지 다양한 응용분야에 적용될 전망이다.

△탄소나노튜브 생산현황 및 전망

탄소나노튜브의 세계적으로 가장 활발하게 생산하는 업체는 벨기에의 Nanocyl과 독일의 Bayer이다. 국내에서는 금호석유화학, 한화나노텍, 제일모직, 효성 등의 대기업을 중심으로 탄소나노튜브 생산이 활발히 진행중이다. 특히, 금호석유화학은 2013년 아산(충청남도)에 탄소나노튜브 공장을 신축하여 연 50톤의 생산용량을 확보한 상태이며, 시장성숙도에 따라 연 300톤까지 생산량을 확대할 계획에 있다.

탄소나노튜브의 상용화를 위해서는 탄소나노튜브 생산공정의 개선과 수요처의 확대를 통해 가격을 낮추어야 한다. 또한, 고분자 등의 매질내에서 분산성이 향상된 탄소나노튜브 개발이 필요하다. 특히, 전도성 탄소나노튜브 플라스틱의 경우 전기/전자 부품 및 포장재의 대전방지소재에서 자동차의 휀더, 사이드 미러 하우징등으로 응용분야가 확장될 전망이다.