나노기술 및 정책 정보

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1. CNT는 전기, 열, 화학, 기계, 구조적 특성으로 자체 물성 및 응용성연구가 활발한 재료

 탄소나노튜브 (Carbon Nanotube, CNT)는 1991년 일본의 Iijima 박사가 발견한 이후, 뛰어난 전기적, 열적, 화학적, 기계적,구조적 특성으로 인해 자체 물성 및 응용성 연구가 매우 활발한 재료이다.
 CNT는 육각형 벌집모양의 탄소결합구조인 흑연판(graphene sheet)이 원통형으로 감겨진 구조로 속은 비어 있고 표면적은 넓은 특징을 갖는다. 튜브는 흑연판의 합성형태에 따라 Armchair, Zigzag, Spiral structure로 구분되며 이에 따라 전기적 성질이 달라진다. 또한 이러한 구조적 특성으로 인해 물리적, 화학적 변화를 통해 더욱 향상된 물성의 재료 개발이 용이한 물질이다. 대부분의 CNT 융합신소재는 고분자 기저(polymer matrix)를 사용하는 경우가 많으나 세라믹이나 금속에 CNT를 첨가하여 만들기도 한다. CNT 융합신소재는 CNT 합성, CNT 융합신소재 설계, 성형/가공, 패키징 공정을 거쳐 제조된다. 이러한 과정 중에서 CNT 융합신소재 설계단계가 중요하며 CNT의 고른 분산, 표면 개질, 결함 최소화, 부피분율 및 배열 제어 기술 등을 포함한 분산 기술이 핵심이다.

 다중벽탄소나노튜브(Multi-Walled Carbon Nanotube, MWNT)의 경우 대량 생산 기술이 확보되어 양산화가 되고 있으나 튜브와 튜브 사이의 강한 반데르발스 상호작용에 의해 쉽게 분산되지 못하기 때문에 융합신소재 내에서 응집형태로 존재하게 된다.

 이 응집현상으로 인해 CNT는 고분자 기저 내에서 균일한 네트워크 구조를 형성하지 못하고 있어 충전재로 활용되지 않고 있다. 또한 단겹 탄소나노튜브(Single-Walled Carbon Nanotube, SWNT)의 경우에는 최근 양산에 성공하였으나 금속성과 반도체성의 분리가 어려워 기술개발이 요구되고 있다. 현재 SWNT를 이용한 융합신소재 기술은 터치스크린용 투명전도성 필름을 제조하는 수준이며 플렉서블 디스플레이, 염료감응형 태양전지 투명전극 등에도 적용하기 위해 연구가 진행 중이다.

 CNT 융합신소재는 CNT가 복합체 내에서 고르게 분산되면 이에 의한 전기전도통로(electrical path)가 형성되며 전도도가 급격하게 증가하는 임계점(percolation threshold) 이상에서 안전한 네트워크 구조를 형성한다.
 지금까지의 연구 결과에 따르면 MWNT의 경우 1~2wt%, SWNT는 0.05~0.1wt% 함량에서 전기적 percolation이 발생된다고 알려져 있으며 이러한 특성으로 정전기 방전 및 전자파차폐 재료로 응용될 수 있다.
 한편, CNT/고분자 복합체는 탄성율, 강도 및 열전도도가 증가하는 효과를 보이는데 SWNT/폴리우레탄 융합신소재의 경우, SWNT를 5wt% 첨가하여 인장강도는 5배, 인장 탄성율은 4배, 열전도도는 4배 이상 향상되는 것으로 보고된 바 있다. 또한 CNT/구리 복합체는 구리에 비해 강도가 2배, 탄성계수 50% 이상, 내마모성은 3배 이상 향상되는 것으로 보고된 바도 있다.
 이와 같이 CNT 융합신소재는 CNT의 전기전도특성을 이용한 전도성 고분자 융합신소재 또는 전도성 투명 필름, 열전도특성을 이용한 발열/방열 융합신소재, 고강도 및 고탄성 특성을 이용한 스포츠 용품, 자동차, 군수장비, 항공기 등의 재료로 응용되어 실용화를 눈앞에 두고 있다. 또한 고집적메모리소자, 2차 전지, 연료전지 등의 에너지저장변환장치, 나노와이어, 가스센서, 의공학용 미세 부품, 나노바이오 소재 등 무한한 응용 가능성을 지니고 있다.

 국내 소재산업은 대기업 중심의 범용소재 대량 생산구조로 미래지향적인 첨단소재 개발 역량이 부족한 실정이다. 2007년 기준으로 국내 소재생산은 165.2조 원으로 제조업 대비 16.7%를 차지하며 기술경쟁력은 선진국 대비 66% 수준이다. 나노기술분야 경쟁력은 미국, 일본, 독일에 이어 4위에 이르고있으나 나노융합 신기술 분야의 경우 차세대 첨단소재 원천기술 확보 초기 단계에 있어 이를 위한 각계각층의 노력이 절실한 시점이다.

 세계 각국 정부는 나노기술분야에 대한 국가차원의 전략을 수립하고 정부 투자를 지속적으로 확대하고 있다. 현재 우리나라 정부도 기존의 인프라 활성화를 통해 국가 소재개발의 역량을 강화하기 위한 일환으로 산업계 수요중심의 나노융합 기술개발 시스템을 구축하고 2018년 세계 4대 소재강국, 2015년 나노융합 3대 강국으로의 도약을 목표로 하고 있다.

 우리 정부도 2015년 선진 3대국 기술경쟁력 확보를 비전삼아 2009년 나노기술 분야에 총 2,543억 원을 지원하였으며 지경부 등 관계부처에서 나노융합산업의 육성을 위한 여러시책을 추진하고 있다. 미국의 나노시장 조사기관 LuxResearch에 따르면, 나노융합산업시장은 2007년 1천5백억달러에서 2015년 3.1조 달러로 연평균 46.3% 증가하고 2020년까지 연평균 22.6%의 꾸준한 성장세를 보일 것으로 전망하였다. 특히, 소재/제조 부문 시장규모는 2007년 970억달러에서 2015년 1.8조 달러로 성장할 것으로 전망된다.

 CNT 융합신소재는 연구개발단계에서 이제 상용화로 접어드는 산업화 초기단계로 세계시장 규모는 2009년 약1.2~1.6억 달러 수준으로 그 규모가 그리 크지 않다. 그러나 향후 CNT 대량 양산화와 분산기술의 진보로 성능 대비 가격경쟁력을 20% 확보할 것으로 가정한다면, 세계 시장 규모는 2009년 1.3억 달러 규모에서 2015년 51.1억 달러 규모로 연평균 68.9% 증대될 것으로 전망 된다.

 현재 우리나라는 세계 나노융합산업시장에서 3%의 점유율을 차지하고 있다. 그러나 2018년까지 15%의 확대를목표로 하고 있으며 2015년에는 5억 달러 규모의 성장이 전망된다.

 CNT 융합신소재 시장은 기존의 CNT 합성업체, 전도성고분자, 금속 등의 화학/금속 업체, CNT복합재료업체들을 중심으로 형성되어 있다. 기존의 CNT 합성 업체의 경우, SWNT의 대량 생산, 반도체성/도체성 분리 기술 개발 이후 CNT 융합신소재 시장에서 대규모 외형성장이 가능할 것으로 보인다. 화학/금속 업체는 CNT 합성 및 복합재료로의 제조기술 확보로 CNT 융합신소재 시장에 진출을 꾀할 수 있다. CNT복합재료업체는 CNT 융합신소재의 제품화 및 표준화에 성공할경우 시장을 선점할 수 있을 것으로 보이며 CNT 분리 및 정제 기술을 확보할 경우 원가를 절감시켜 가격경쟁력 측면에서도 유리한 고지를 선점할 것으로 기대된다. 또한 기존 성형/가공업체는 IT 및 자동차/기계 산업에서 축적된 기술에 나노공정 기술을 개발 및 양산화하여 CNT 융합신소재 시장에 참여할 수 있다.

 전 세계적으로 나노기술은 정부출연연구소나 대학 등에서 주로 연구개발이 이루어지고 있으며 기업들이 대학교수 및 연구진으로부터 기술이전 및 자문을 받아 기술을 개발하고 있다. 특허를 기준으로 보면 다수의 특허를 보유하고 있는 미국, 일본기업이 CNT 상용화에 박차를 가하고 있는 것으로 분석된다. 대표적 기업으로 MWNT 물질 특허(2004년 만료)를 보유하고 있는 미국 Hyperion Catalysis은 CNT를 충전재로 사용한 masterbatch 형태나 고분자화합물 형태로 생산, 판매하고 있으며 FED(Field emmision display), 자동차, 구조재료 분야에도 적용하여 GM 등 미국 완성차 업체에 공급하고 있다. 미국 Eikos사는 Nanoshield R 방식을 이용하여 SWNT가 분사된 용액을 이용해 투과도 90%, 표면저항 100~1000Ω/㎠인 Inviscon R 이라는 투명전극필름을 개발하였고 이는 현재 상업적으로 가장 앞선 기술로 평가 받고있다. 또한 해당 기술을 전자파차폐, 태양전지, 디스플레이 등에 적용하기 위한 기술을 개발하고 있다.
 일본에서는 Toray, Showa-Denka, Sumitomo 등 국내 CNT 융합신소재 관련업체로는 대유신소재, 상보,대진공업, 한화나노텍, 제일모직, 금호석유화학, KH케미컬,나노솔루션, 카본나노텍 등 30여개가 있으며 삼성, LG 등 대기업도 시장에 뛰어들고 있다. 나노미래는 CNT 융합신소재를 활용한 정전기 방지용 트레이를 개발하여 2010년부터 매출을 올리고 있으며 대진공업은 CNT를 코팅한 방열판 및 CNT-알루미늄 복합소재의 상용화에 성공하였다. 한편, 상보는 ITO(Indium Tin Oxide)를 대체할만한 CNT투명필름을 생산하여 중국 모바일 시장에 공급하는 등 상용화하였으며 최근 인듐의 가격이 상승하면서 가격측면에서도 경쟁력을 갖추게 되었다.

 우리나라의 CNT에 대한 기술경쟁력은 세계의 선두권에 있으며 2010년 노벨상을 받은 탄소소재인 그래핀 연구에서도 국내 연구진의 약진이 두드러지고 있는 것으로 미뤄 짐작하면 CNT 융합신소재 뿐만 아니라 나노탄소융합 전 분야에서 세계시장의 우위를 점하여 국가경쟁력 제고에 기여할 수 있을 것으로 판단된다. 이를 위해 관련 기업에 대한 정부의 지속적인 관심과 투자, 기반 기초기술 연구에 대한 지원이 절실함은 자명한 일이다. 19세기에 연필과 지우개를 합하여‘지우개 달린 연필’을 발명해 특허를 낸 하이만 리프먼(Hyman Lipman)과 그 특허를 사들인 리버칩 연필회사가 있었듯이 21세기의 연필인‘탄소소재’와‘나노기술’의‘만남’은 인류에게 새로운 패러다임을 제시하고 엄청난 부가가치를 창출할 것으로 기대된다