나노기술이 낳은 꿈의 신소재, 탄소나노튜브

나노기술이 낳은 꿈의 신소재, 탄소나노튜브

아이언맨의 슈트를 실제로 만들 수 있을까? 나노기술은 이를 가능하게 만들었다.

 반도체나 의류 등에서 이전에의 소재들과는 달리 최근 탄소 소재가 큰 관심을 받고 있다. 탄소 소재는 대부분 탄소로만 구성된 소재로 그래핀, 탄소섬유, 탄소 나노 튜브 등이 있으며 이들은 초경량, 초고온성, 초내마모성, 초전도성의 극성 물성을 가지며 차세대 고부가가치 첨단 소재로 주목받고 있다. 이중에서도 탄소나노튜브는 다양한 분야에서 적용이 가능하며 이전에의 기술을 넘어선 큰 부가가치를 창출할 수 있는 기술로 주목받고 있다.

 

[1_출처: 한국화학연구원]

[2_출처: 한화케미칼_http://www.chemidream.com/]

 탄소나노튜브(Carbon Nanotube; CNT) 란 탄소끼리 육각형으로 결합하여 원통형 튜브구조를 이룬 탄소 동소체의 일종으로 흑연, 다이아몬드 등의 다른 탄소동소체와 구성성분은 같으나 모양과 성질에 차이가 있다. 직경이 수 nm(1/10억)정도로 작은 튜브모양을 하고 있어 나노튜브로 지칭하고 있다.

 탄소 나노 튜브는 이전 소재들이 가지지 못한 우수한 물질적 특성을 가지고 있어 21세기의 꿈의 신소재로 불리운다. 탁월한 기계적 특성, 전기적 선택성, 뛰어난 전계방출특성, 고효율의 수소저장매체 특성 등을 지니며 현존하는 물질 중 결함이 거의 없는 소재로 주목받고 있다. 구리보다 열전도율이 1,000배 이상 높고 극히 낮은 저온상태에서도 초전도성을 보인다. 또한 탄소나노튜브는 열을 잘 방출하기 때문에 전기를 안전하게 흘려보내므로 구리 전선과 달리 열의 발생 문제가 확연히 적다. 또한 탄소나노튜브는 탄성을 지녀 튜브다발에 전압을 가하면 늘어났다가 전압이 사라지면 원래 모양으로 돌아온다. 초강도성을 또한 지녀 구조물에 견고함을 더할 수 있다.

[그림3. (출처:기능성 탄소나노튜브 복합체의 개발현황과 전망, 정인수,2013,한국과학기술연구원)]

 고도의 합성기술에 의해 제조되며, 합성방법으로는 전기방전법, 열분해법, 레이저증착법, 플라즈마 화학 기상 증착법, 열화학기상증착법, 전기분해방법, Flame 합성방법 등이 있다. 탄소나노튜브는 나노와 과학 기술의 발전에 따라 항공우주, 생명공학, 환경에너지, 재료산업, 의약의료, 전자컴퓨터, 보안안전, 과학교육 등 거의 모든 분야로 응용의 범위가 넓혀지고 있다.

[그림4.(출처:탄소나노튜브의 용도별 활용현황 및 신소재화 가능성 ,kdb/http://bizkhan.tistory.com/2699) ]

 종류의 구분은 하나의 튜브로 이루어진 단일벽(single walled: SW), 두개의 튜브가 겹쳐진 이중벽 (Double Walled: DW), 3개 이상의 튜브로 구성된 다중벽(Multi Walled:MW) 등으로 구분하고 있다. 이 중 단일벽 탄소나노튜브는 생산수율이 낮고 정제과정이 복잡하여 현재 대부분 다중벽 탄소나노튜브를 사용한다. 다중벽 탄소나노튜브의 가격은 kg당 400~450달러(약 44~50만원)로 단일벽 탄소나노튜브의25,000~90,000달러(약 2800~1억 5천만원)보다 월등히 낮다.

[그림5.(출처:탄소나노튜브의 용도별 활용현황 및 신소재화 가능성 ,kdb/http://bizkhan.tistory.com/2699) ]

 ‘국가나노기술종합발전계획’에서 2015년 세계 최고 수준의 실용화 30대 나노 기술 중 여섯 가지가 탄소나노튜브와 직접 관련이 있는 기술로 전 세계적으로 기대와 주목을 받고 있는 기술이다. 앞서 말한 탁월한 물성으로 다방면의 산업분야에서 기존 산업의 경쟁력을 우수하게 향상시킬 수 있다. 현재 복합소재분야가 전체의 약 70%정도의 큰 비중으로 진행되고 있는데 CNT와 기존소재를 복합시키면 고강도, 초경량, 초전도성을 더해 기존 제품을 한층 업그레이드 시키는 제품의 탄생이 가능하다. 전 세계의 탄소나노튜브 시장은 약 5억 달러 규모(설비규모는 2500톤 이상)로 추산되며, 2020년 약 80억 달러로 증가할 것으로 전망(IDTechEx, 2013/Nanowerk, 2011)된다.  특히 전자부품용 CNT 시장은 2013년 기준으로 전체의 10%인 5000만달러 수준이지만 2023년에는 28억 달러 규모로 50배 이상 성장할 것으로 보인다.

출처: 한화케미칼

[6_출처: 한화케미칼_http://www.chemidream.com/]

 앞으로는 차량 내외장재 및 전자부품 포장재 분야 등에서 적용이 확대 될 것으로 전망하고 있다. 박막형 복합소재 및 방열/발열용 도료시장의 성장을 기대해 볼 만 하다.