탄소나노튜브 개발과정 활용 특징 전망

탄소나노튜브 개발과정 활용 특징 및 전망에 대해 알아보도록 하겠습니다. 러시아와 우크라이너 전쟁의 장기화로 탄소나노튜브(CNT) 쪽으로도 영향이 커지고 있는 상황입니다.

 

탄소나노튜브(CNT)를 통해서 전자제품은 물론 전기차 등 다양한 산업에서 기존보다도 효과적인 기술향사에 도움을 주는 소재로 각광받고 있습니다.

 

러시아의 탄소나노튜브(CNT) 관련 회사 '옥시알'에 대해 서방의 러시아 제재 영향을 받아 수급에 영향을 끼칠 것이라고 합니다. 탄소나노튜브(CNT)에 대한 활용과 특징 전망에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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<탄소나노튜브 란?>

 

 

 

 

탄소나노튜브, 영어로는 carbon nanotube . 약어로는 CNT라고 지칭합니다.

간단하게 Buckytube 라고 부르며, 반타블랙을 탄소나노튜브를 이용하여 만듭니다.

1991년 일본의 전자 기업 NEC 부설 연구소에서 이지마 스미오가 최초로 발견하였습니다.

기본적으로 탄소 원자들의 형태는 육각형 벌집모양입니다.

이러한 육각형 벌집모양이 서로 연결된 고분자 탄소 동소체가 탄소나노튜브 입니다.

 

 

 

 

 

 

또한 현재까지 발견된 물질 중 가장 강력한 강도를 가진 물질입니다. 이 강도는 철의 100배 이상입니다.

기술이 발전함에 따라 이 강도는 점점 강해질 수 있습니다. 이러한 강도를 가진 물질은 흔치 않으며 발전가능성이 높습니다.

 

우주 엘리베이터 케이블의 유력한 후보 물질로 다루어지는 상황이기도 합니다. 또한 전도성도 좋아서 이를 응용한 연구도 활발합니다.

 

반도체 특성을 갖는 카이랄성을 가진 탄소나노튜브를 이용하여 2013년 작은 스케일의 컴퓨터를 만드는 것에 성공하였고 Nature에 게재 되기도 하였습니다.

 

2017년에는 게이트 길이 5nanometer 크기의 탄소나노튜브 소재의 트랜지스터를 만들게 되며, 같은 스케일의 CMOS 소자보다 더 좋은 성능을 보여줬습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

탄소나노튜브는 종류가 여러가지가 있습니다.

탄소 벽의 개수에 따라서 Single-Walled, Double-Walled, Multi-Walled 로 나뉩니다.

 

탄소 층의 배열 방법에 따라 Torus, Nanobud, Cup stacked, Extreme 등으로 나뉩니다.

종류에 따라 강도나 기타 특성들이 차이가 나며 특히 전기적 특성이 심하게 차이 납니다.

 

Multi-Walled CNT (MWCNT) 는 굉장히 저렴합니다. 대략 100g 20~40만원 정도의 가격을 형성하고 있습니다. 하지만 Single-Walled CNT (SWCNT) 는 합성 자체가 까다로워 가격이 비쌉니다.

 

MWCNT에 비해 수십배 이상 비싼 가격이 형성되어 있습니다. 그래서 상대적으로 초강력 섬유나 복합소재와 같은 많은 양이 필요한 곳에는 MWCNT가 주로 사용됩니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

탄소나노튜브는 그래핀이나 나노 금속 재료가 발견되기 전까지는 전자 소자의 끝단계라는 분위기가 풍겼으나 탄소 배열 방법에 따라 전도성이 너무 심하게 바뀌고 접촉 저항 등이 너무 크다는 것이 밝혀지면서 이전과 같은 주목을 받지는 못하고 있습니다.

 

이를 위해 반도체성 SWCNT와 금속성 타깃을 분리하거나, 도핑을 하는 등 여러 방법을 시도하였지만 여전히 접촉 저항을 없애지는 못한 상황입니다.

 

위에서 언급한 것처럼 그래핀에 비해 단점이 꽤 있으며 한계가 명확한 탓에 탄소 나노튜브의 시장 점유율은 고분자 복합소재가 69% 로 절반 이상을 차지하며, 전기전자소재로는 10% 정도의 낮은 점유율밖에 확보하지 못하였습니다.

 

무한한 가능성을 지닌 그래핀보다는 조금 범용성이 떨어지는 상황이지만 아무리 그래도 여러 분야로 활용성이 무궁무진하다는 것은 부정할 순 없습니다.

 

 

 

 

 

 

 

<탄소나노튜브 합성>

 

 

CNT 제조법은 아크 방전법과 레이저 증발법, 그리고 화학 기상 증착법 총 3가지로 분류됩니다. 아크 방전법과 레이저 증발법은 고체 상태의 탄소를 전기나 레이저를 사용하여 열을 분해시켜 고온의 기체 상태의 카본으로부터 CNT를 제조하는 방법입니다.

 

화학 기상 증착법(chemical vapor deposition; CVD) 는 전이 금속 계열의 촉매를 이용하여 기체 상태의 카본을 기질 표면에서 성장시키는 방법입니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

<탄소나노튜브 응용분야>

 

탄소나노튜브의 응용분야는 크게 3갈래로 나눌 수 있습니다.

 

 

 

 

 

 

첫번째, 벌크형 복합 소재 분야

 

CNT 발열 및 방열 복합 소재 시장이 상용화가 시작되었습니다.

LED 조명 적용 시장이 증대될 것으로 예상됩니다.

또한 경량과 고강도 복합 소재는 5년 내에 자동차 및 항공기 내외장재에 사용될 가능성이 높습니다..

또한 전자파 간섭 차폐용 복합소재로 사용될 예정입니다.

 

두번째, 박막형 복합 소재 분야

 

단일벽 나노튜브 (SWCNT) 를 이용한 저가형 투명 전도성 필름의 상업화가 이루어졌습니다.

모바일 기기의 급격한 증대로 시장 확대가 예상됩니다.

다중벽 나노튜브 (MWCNT) 를 이용한 정전기 방지 도료의 상용화가 이루어졌습니다.

고전도성을 요구하는 EMI 차폐용 도료의 출시가 가능할 것으로 예상하고 있습니다.

 

세번째, 에너지 분야

 

리튬 이온 전지의 양극에 전도성 충진제로 쓰이는 카본 블랙을 대체하는 분야가 가장 유망한 분야로 떠오르고 있습니다

전지 업체들이 CNT를 양극 첨가재로 사용하여 특성이 개선된 리튬 2차 전지를 개발하였으며, 향후 급격한 시장 확대가 예상되는 모바일과 전기 자동차에 적용 될 것으로 예상됩니다.

 

 

 

 

 

 

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