신소재, 탄소 나노튜브(carbon nanotube, CNT)

(신소재) 탄소 나노튜브(carbon nanotube, CNT)는 원통형 모양의 나노 구조를 지니는 탄소의 동소체이다.

 

탄소 나노튜브는 1991년 일본 전기 회사(NEC) 부설연구소의 이이지마 박사가 전기 방전법에 의해 풀러렌(fullerene)을 합성하면서 흑연 음극상에 형성된 탄소 물질을 투과 전자 현미경으로 분석하는 과정에서 발견되었다.

 

이이지마 박사와 미국 IBM 연구소의 베쑨(Bethune) 이 전기 방전 시에 Fe, Ni, Co 등과 같은 전이 금속을 사용하는 경우, 가장 기본적인 구조인 단일벽 탄소 나노튜브(single-wall carbon nanotube; SWNT)가 만들어짐을 발견하였다.

 

 

나노튜브는 원통형 풀러렌 계열의 구조를 지니며, 그래핀이라는 탄소 원자 한 층으로 이루어진 막을 벽으로 하며 길고 속이 빈 튜브 모양으로 만들어졌기 때문에 탄소 나노튜브라고한다. 그래핀을 둥그렇게 마는 각도와 지름에 의해 금속이 될 수도 있고 반도체가 될 수도 있다.

 

 

탄소 나노튜브는 높은 유연성(high flexibility)을 가지고 있어서 휘어졌다가 원상복구되기 쉽고, 낮은 중량 밀도(low mass density)를 가지며, 직경이 나노 크기인 반면에 길이는 수 μm에서 길게는 수 mm까지 될 수 있기 때문에 길이:직경 비(length/diameter ratio) 즉 종횡비(aspect ratio)가 매우 크다.

 

탄소 나노튜브는 기계적, 전기적,열적 특성이 매우 우수하며 이로 인해 나노 복합재료 제조 분야에서 기존의 첨가제를 대체할 수 있는 혁신적인 물질로 여겨지고 있다.

 

단일벽 튜브

이중벽 튜브

삼중벽 튜브

 

 

탄소 나노튜브의 특성

기계적 성질

탄소 나노튜브는 인장 강도와 탄성률의 측면에서 지금까지 발견된 물질 중 가장 단단하고 강한 물질이다.

탄소 나노튜브의 기계적인 특성은 철 및 알루미늄보다 강하며, 금속 중에서 가벼운 금속인 알루미늄(2.0g/cm3)보다 가볍다. 탄소 나노튜브가 강철·다이아몬드·구리·섬유 등 산업용 소재의 패러다임을 완전히 바꿀 나노 시대의 핵심 소재로 꼽히는 이유가 된다.

 

 

전기적인 성질

탄소 나노튜브의 축에 대해 감긴 형태(chirality)에 따라 금속(metallic) 혹은 반도체(semiconducting)의 특성을 다양하게 나타낸다.

탄소 나노튜브의 열전도율은 자연계에서 가장 뛰어난 다이아몬드와 같고, 인장력은 다이아몬드를 능가한다. 탄소 나노튜브는 구리와 같은 수준의 전기 전도율을 가지고 있다.

 

 

(탄소 나노튜브) CNT의 주요 응용 분야

벌크형 복합 소재 분야

현재는 주로 전기전도성을 요구하는 정전기 방지용 고분자 복합 소재의 상용화가 이루어지고 있으며, 향후 2~3년 내에 고 전기전도성을 요구하는 전자파 간섭(Electromagnetic interference; EMI) 차폐용 복합소재가 상용화될 전망이다.

 

CNT 발열 및 방열 복합 소재 시장도 상용화가 시작되어 LED (Light Emitting Diode) 조명 적용 시장이 증대될 것으로 예상된다. 경량/고강도 복합 소재는 골프 클럽 헤드, 알루미늄 부품 적용 등 일부 스포츠 용품을 중심으로 시장에 출시된 적은 있지만, 아직은 시장이 크지 않다.

 

그러나 향후 5년 내에 자동차 및 항공기의 내외장재에 사용될 가능성이 매우 크므로 이 분야의 사업화 전망이 밝다고 예측된다.

 

 

박막형 복합 소재 분야

단일벽 나노튜브를 이용한 저가형 투명 전도성 필름의 상업화가 이루어졌으며, 모바일 기기의 급격한 증대와 맞물려 시장 확대가 예상된다. 다중벽 나노튜브를 이용한 정전기 방지용 도료의 상용화가 이루어졌으며, 향후 2~3 년 내 에 고전도성을 요구하는 EMI 차폐용 도료의 출시가 가능할 것으로 생각되며, 이와 더불어 방열 도료도 매우 유망한 분야로 떠오르고 있다.

 

 

에너지 분야

리튬이온 전지의 양극에 전도성 충진제로 쓰이는 카본 블랙을 대체하는 분야가 가장 유망한 분야로 떠오르고 있다.현재 주요 전지 업체들이 CNT를 양극 첨가재로 사용하여 특성이 개선된 리튬 2차 전지를 개발하였으며, 향후 급격한 시장 확대가 예상되는 모바일 기기, 전기 자동차 등에 사용이 예상된다.

 

관련 주식 상장업체.

1) 엑사이엔씨 (054940) --- 발열체의 제품 상용화 성공.

2) 오픈베이스 (049480) --- 국내 최초 나노튜브 순도 측정기기 개발. 

3) 상보 (027580) --- CNT 터치센서와 CNT 터치키 생산.

4) 대유플러스 (000300) --- 복합 신소재 스마트 알루미늄 사업 진출.