[테크타임즈] 꿈의 신소재, 탄소나노튜브의 이해와 전망

꿈의 신소재, 탄소나노튜브의 이해와 전망

글쓴이: 관리자 일시: 2006-11-09  조회: 737

꿈의 신소재, 탄소나노튜브의 이해와 전망 경북중서부지부 공학박사 김 광석 1991년 일본의 NEC 부설연구소 이지마 수미오 박사에 의해 처음 보고된 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)는 탄소들로 이루어진 육각형 구조들이 서로 연결되어 가늘고 긴 관 형태를 이루는 물질로, 그 직경이 머리카락 굵기의 10만분의1 정도(수-수십 나노미터)로 매우 작다. 기계적 특성을 살펴보면, 동일한 굵기의 강철에 비해 최대 100배 이상의 강도를 가지면서도 15%의 변형에도 견딜 수 있는 탄성 또한 나타낸다. 더욱이 전기전도도(은과 비슷)와 열전도율(다이아몬드 정도) 까지 매우 우수하여 각종 장치의 전자 방출원, VFD(Vacuum Fluorescent Display), 백색 광원, 전계발광 디스플레이(FED, Field Emission Display), 2차 전지 전극, 나노 와이어, SPM(Scanning Probe Microscope)의 탐침(probe), 고기능 복합체 등에서 많은 응용가능성을 보여주고 있다. ◎ 탄소나노튜브의 구조와 종류 탄소나노튜브는 그림1에서 볼 수 있듯이 지그재그(zigzag)와 암체어(armchair)라고 알려진 두개의 대칭구조가 가능하지만 실제로 대부분의 탄소나노튜브는 이러한 대칭 구조를 갖는 대신에 벌집모양의 육각형이 튜브축을 따라서 나선형으로 배열된 카이럴(chiral) 구조를 갖는다. 탄소나노튜브는 벽을 이루고 있는 탄소원자의 결합 수에 따라 크게 단일벽 탄소나노튜브와 다중벽 탄소나노튜브로 나뉜다. 탄소원자로 구성된 벽이 하나인 단일벽 탄소나노튜브(Single-wall Nanotube, SWNT)가 전기전도성, 열전도성이 매우 우수한 반면 탄소원자로 구성된 벽이 두개이상인 다중벽 나노튜브(Multi-wall Nanotube,MWNT)는 전기 및 열적 특성은 다소 떨어지나 기계적 특성이 우수하고 제조가 용이해 산업적 응응 분야가 넓다. 이밖에 단일벽 나노튜브가 여러 개 붙어서 다발을 이룬 튜브 형태인 다발형 나노튜브(Rope Nanotube)도 있다. ◎ 탄소나노튜브의 제조 현재까지 알려진 탄소나노튜브 제조 기술은 전기방전식, 레이저 증착식, 기상증착식 등  5~6가지로 분류되며 국내기업들의 경우 주로 열화학 기상증착식과 전기방전식을 사용하여 제품을 생산하고 있다.  ▷ 전기방전식: 진공하에서 양(+)극과 음(-)극에 각각 직경이 다른 흑연봉을 일정한 거리를 띠워 배치시킨 후 전기방전을 유도하는 방법. 양극쪽과 진공 챔버 겉면에서 탄소나노튜브가 생성된다. 이 방법으로 생산된 탄소나노튜브는 품질은 우수하나 대량 생산은 불가능하다.  ▷ 레이저 증착식: 전기방전식과 유사하며 방전하는 대신 레이저를 사용하는 점이 다르다. 레이저를 목표하는 흑연봉에 조사, 기화시킴으로써 탄소나노튜브를 생성시킨다. 품질은 가장 우수하나 레이저 사용시 유지보수의 문제가 있고 생산량이 극소량이란 단점이 있어 주로 연구용 탄소나노튜브 제조에 사용된다.  ▷ 열화학 기상증착식: 고온의 가열로 안에 탄소 성분의 가스를 흘려주면서 탄소나노튜브를 자연 생성시키는 방법. 촉매와 함께 600~1000 ℃의 고열이 사용된다.  ▷ 플라즈마 화학기상증착식: 열화학 기상증착식과 유사한 방법이지만 반응 온도를 낮추기 위해 고주파 전원으로 플라즈마를 발생시켜 반응가스를 분해시킨다. 400~500 ℃의 상대적으로 낮은 온도에서도 탄소나노튜브를 생산 할 수 있다. ◎ 탄소나노튜브 관련 연구개발 동향 탄소나노튜브에 관한 연구는 한국을 비롯해 미국, 일본에서 활발히 진행되어지고 있으나 관련기술의 최선진국은 미국이다. 미국은 탄소나노튜브 소재 개발에 대한 원천특허를 보유하고 있으며 양산체계를 모색하면서 다양한 응용제품의 개발에 나서고 있다. 대표적인 기업으로는 하이페리온(Hyperion Catalysis)과 CNI(Carbon Nanotechnologies)가 있다.  탄소나노튜브의 최초 발견국인 일본은 단일벽 탄소나노튜브의 원천 특허를 보유하고 소재 생산과 응용제품 개발에 전력하고 있다. 미국에 비해 관련 제품시장이 광범위하며 대기업인 NEC, 미쓰비시, 미쓰이 등이 탄소나노튜브 연구를 진행중이고 중소기업인 시와텐코사가 나노파이버를 생산하고 있다.  미국과 일본에 비해 후발 국가인 우리나라는 소재의 원천기술 특허에서는 뒤지지만 탄소나노튜브를 생산하는 공정기술은 거의 대등한 수준에 도달한 것으로 평가된다. 특히, 이미터(emitter)를 이용한 디스플레이 제작 등의 응용기술에서는 3국 중 가장 앞선 것으로 평가된다. 특허청 통계에 의하면 1998년에 20건에 불과하였던 카본나노튜브 관련 국내 특허출원이 2002년에는 212건으로 대폭 증가하는 등 최근 수년간 많은 연구들이 수행되고 있다. 대표적인 탄소나노튜브 관련 특허출원 분야는 다음과 같다. 분야 특허 내용 전기전자 반도체, 디스플레이, 전기통신, 전자회로, 전기소자, 제어, 검사장치, 정보저장 등  화학 탄소나노튜브 제조 및 개질, 복합재료 등 기계 다공성 구조, 공작기계, 나노기술, 마이크로 구조기술 등 한편, 국내⋅외적으로 탄소나노튜브와 관련된 획기적인 연구들을 조사해보면 크게 1) 탄소나노 튜브 제조 및 2) 응용기술로 다음과 같이 정리할 수 있다. 탄소나노튜브 제조관련 기술 연구기관 연구개발 내용 진행현황 포항산업과학연구원 탄소나노튜브 대량 생산  연구완료 세메스 탄소나노튜브 대량 생산 장치  시제품 생산 카본나노텍 세계최대규모 탄소나노튜브 양산 설비 연구완료 삼성종합기술원 고순도의 단일벽 탄소나노튜브(SWNT) 상온 합성 연구완료 케임브리지대(영국) 최대 100 m 길이의 탄소나노튜브 제조 연구완료 탄소나노튜브 응용 기술 연구기관 연구개발 내용 진행현황 삼성 SDI/LG 전자 탄소나노튜브 전계발광 디스플레이 (FED) 시제품 생산 LG화학 자동차 차체용 고강도 탄소나노튜브 복합재료 연구진행중 클라스타 인스트루먼트 탄소나노튜브 분산/안정화 산업적용 중 탑나노시스 ITO 대체 탄소나노튜브 투명전극 연구완료 NEC 노트북용 탄소나노튜브 연료전지 양산기술 확보 Bayer 탄소나노튜브/고분자 복합재료 연구개발중 AIST 탄소나노튜브를 이용한 도전성 폴리이미드 연구개발중 GE 자동차 부품용 탄소나노튜브/고분자 복합재료 양산적용 델프트대/IBM 탄소나노튜브 트랜지스터 기초연구 완료 ◎ 탄소나노튜브를 이용한 전도성 고분자            전도성 고분자 분야는 탄소나노튜브의 가장 큰 응용시장의 하나로 미국의 하이페리온사는 고분자에 탄소나노튜브를 충진제로 사용하여 마스터배치(masterbatch) 형태로 고분자 컴파운드를 생산 판매하고 있다. 또한 미국의 CNI사에서도 HiPCO 공정을 이용해 단일벽 탄소나노튜브를 제조하여 전 세계적으로 판매하고 있으며, 전도성 고분자 복합재료 시장에서도 경쟁을 준비하고 있다.  전도성 탄소나노튜브/고분자 복합재료의 구체적인 응용분야로는 전자파 차폐, 정전기 분산, 평판 디스플레이에서의 ITO 분말 대체, e-painting 등이 있으며, 전기전도도의 정확한 조절이 무엇보다 중요하다. 이때, 탄소나노튜브의 분산기술은 반드시 해결해야 하는 선결과제이다. 탄소나노튜브들간의 강한 반데르발스력(van der Waals force)으로 인해 탄소나노튜브들은 서로 뒤엉켜 있는 다발(bundle 또는 rope) 형태로 존재한다.  따라서 탄소나노튜브들은 유기용매에 쉽게 분산이 되지 않으며 성형(가공)도 극히 어려워 우수한 성능에도 불구하고 실질적인 산업적 이용은 극히 제한적이다.  하이페리온사는 기상증착법으로 제조된 10~15 nm 직경의 다중벽 나노튜브를 사용하여 나노튜브 함량이 15-20%에 이르는 마스터배치를 생산하고 있다. 나노튜브의 함량이 5% 미만인 고분자/탄소나노튜브 화합물(compound)은 사출성형에 직접 이용될 수 있으나 가격이 kg당 60불 이상으로 매우 높다. 따라서 탄소나노튜브의 폭넓은 응용을 위해서 탄소나노튜브의  경제적인 대량생산공법과 더불어 분산기술의 진보 또한 매우 중요하다.  ◎ 탄소나노튜브 전계발광 디스플레이(FED)     탄소나노튜브 FED란 탄소나노튜브를 전자총으로 활용해 평판에 화면을 구현하는 차세대 디스플레이로 탄소나노튜브의 뾰족한 끝에 전자가 집중되고, 전자방출이 용이한 점에서 브라운관의 전자총이나 피뢰침의 원리와 유사하다. 게이트와 에미터(탄소나노튜브) 사이에 전압을 인가해 전자를 방출시키고, 상하 양 유리 사이에 강한 전계를 걸어주면, 전자는 전계에 의해 가속돼 상판유리(아노드 판) 내부의 형광체를 쳐 빛을 내게 된다. 탄소나노튜브를 사용할 경우 낮은 전압에서도 전자를 쉽고 가늘게 방출하므로 다른 디스플레이 제품에 비해 열효율이 높고 화질이 우수해 연간 수십조원에 이르는 미래 디스플레이 시장을 석권할 것으로 예상된다. 실제로 서울대와 삼성SDI는 3년간의 공동연구 끝에 탄소나노튜브를 ‘전자총’으로 사용하는 7인치 FED를 개발해 시연해 보이기도 하였다. 스크린 프린팅 방법으로 평판 뒷면에 탄소나노튜브를 칠하고 전류를 흘려주면 탄소나노튜브에서 자연적으로 전자가 방출된다. 따라서 반도체칩 삽입 공정이 필요한 LCD나 평판 사이에 플라스마를 넣어야 하는 PDP에 비해 가격 경쟁력이 높을 것으로 예상된다. ◎ 시장전망  ‘꿈의 신소재’라 불리는 탄소나노튜브는 과학기술계에서 ‘산업판도를 바꿀 10대 미래 신기술’중의 하나로 선정되어 많은 연구 및 기술개발이 활발히 진행되고 있다. 시장규모를 살펴보면 2002년의 탄소나노튜브 세계시장은 1200억원 규모이지만 매년 최소 20% 이상의 성장세를 보여 2010년에는 10조원에 이를 것으로 전망되고 있다. 탄소나노튜브의 지름 등을 조절하면 도체가 반도체로 바뀌어 기존 실리콘의 1만 배인 테라바이트급 집적도를 가진 메모리 칩 설계도 가능하며 일반소재와는 달리 엄청난 빛을 발산하는 성질을 이용, 두께가 얇고 전력 소모가 극히 적은 평판 디스플레이도 제조할 수 있다.  또 전구의 강력한 대체소재는 물론 우주복과 같은 초강력 섬유, 휴대폰 충전기, 수소연료전지, 센서 등 그 활용도는 응용기술의 개발에 따라 무궁무진하다. 그러나 탄소나노튜브는 아직 실용화 단계에는 이르지 못하고 있는 실정이다. 그 이유는 소재(탄소나노튜브) 생산을 위한 양산 기술이 충분히 경제성을 갖고 있지 못하고 탄소나노튜브를 이용한 응용제품 개발 또한 미흡하기 때문이다. 이와 함께 소비자에게 어필할 수 있는 대표적인 응용제품이 등장하지 않은 점 등도 실용화를 가로 막는 장애 요인이다. 우리나라의 경우 응용기술개발에 있어 삼성 등 일부 대기업만이 탄소나노튜브에 관심을 가질 뿐 대부분의 산업계가 아직 탄소나노튜브에 관심을 기울이지 않고 있는 점이 약점으로 지적되고 있다. 그러나 최근 탄소나노튜브 대량생산 기술 및 설비의 개발과 디스플레이를 중심으로 한 IT기술과의 접목을 통해 탄소나노튜브 산업의 균형적인 발전이 기대된다. 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