[무기화학개론]CNT(탄소나노튜브) 5부






CNT의 응용범위


탄소나노튜브는 세계적인 각광을 받고있는 21C 꿈의 신소재로서 항공우주, 생명공학, 환경에너지, 재료산업, 의약의료, 전자컴퓨터, 보안안전, 과학교육 등의 거의 모든 학문 분야에서 응용범위를 넓혀가고 있는 추세입니다. 탄소나노튜브는 현존하는 어떤 소재보다도 기계적, 전기적, 전계방출적, 수소저장매체적 특성이 우수하다고 알려져 있기 때문에 아래의 응용범위들을 지닙니다.

1. 일만배 더 기억용량이 큰 반도체를 만들 수 있는 소재

2. 현재의 전자제품 크기를 1/3정도로 줄일 수 있는 소재

3. 소형 이동용 전지의 사용시간을 획기적으로 연장시킬 수 있는 소재

4. 저전압으로 전자방출 전류를 현재보다 10~100배 이상의 높은 수준으로 끌어올릴 수 있는 소재

5. 자동차, 항공기 등의 구조재 강도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 고기능 복합체 소재

6. 기타 Nanotechnology를 위한 소재

이를 적용범위별로 대략 요약하면 아래와 같습니다.









CNT의 공업적 응용분야


탄소나노튜브는 그 우수한 물성 때문에 다양한 분야에서 응용되고 있다. 우선 국내연구진에 의해 개발된 초고집적 탄소나노튜브 반도체 소자를 예를 들 수 있다. 삼성종합기술원 최원봉 박사 연구팀은 초고집적 탄소나노튜브 반도체 소자의 실용화 기술을 개발, 차세대 반도체 시장을 주도할 수 있는 전기를 마련하였다. 

개발된 반도체 소자는 집적도 0.2테라비트급 이상으로 알루미늄의 산화반응 조절에 의해 생성되는 나노크기의 구멍 위치를 제어해 그 안에 나노튜브를 성장시키고 수직으로 성장된 탄소나노튜브 한 개를 반도체 단위소자로 구성한 것이다. 이 기술을 통해 세계 최초로 수직탄소나노튜브 소자의 작동(온도 30K)을 확인, 탄소나노튜브 반도체 소자의 실용화를 앞당기게 되었다. 

테라급 메모리 반도체와 시스템온칩(System on Chip)등 차세대 반도체에 적용할 경우 새로운 나노소자 시장창출과 기존 메모리시장 대체를 통해 오는 효과로 2010년 1조$규모로 추산되는 세계 반도체시장 전체를 주도할 수 있는 역량을 갖추게 될 것으로 기대된다고 한다. 삼성종합기술원은 현재 이 기술과 관련해 국내특허 3건을 출원했으며, 2건의 해외출원을 출원 중에 있다.


또 다른 중요한 응용분야는 차세대 디스플레이인 FED(Field Emission Display)분야이다. 1999년 삼성종합기술원 김종민 박사는 탄소나노튜브 평판디스플레이 FED를 개발했다.


김 박사는 당시 탄소나노튜브 조각들을 풀 형태로 만들어 평면에 바른 다음 전류를 흘려주자 탄소나노튜브에서 전자가 튀어나와 삼원색 도료를 칠한 화면을 때려 영상을 만들어내는 것을 확인했다. 김 박사와 임지순 교수는 그동안 연구를 진척시켜 최근에는 탄소나노튜브를 일정한 형태로 배열하고 탄소나노튜브 박막과 삼원색 화면 사이에 제3의 전극을 설치, 전자 방출 효과를 훨씬 높여 동영상까지 구현한 디스플레이를 개발해냈다.


세계적인 과학잡지 '네이처지'"탄소나노튜브를 전자총으로 사용할 경우 낮은 전압에서도 전자를 쉽고 가늘게 방출하므로 다른 디스플레이 제품에 비해 열효율이 높고 화질이 우수하다"며 제품의 기술력을 높이 평가했다.


탄소나노튜브의 역사는 비교적 짧지만 1997년도 세계과학계의 10대 중요연구과제에 선정될 만큼 최근 연구가 세계적으로 활발히 진행되고 있는 분야이다. 이것은 탄소나노튜브가 다양한 물성을 제공하고 그와 함께 메모리소자, 전자소자 등 무한한 응용가능성을 제공하고 있기 때문이다. 현재 탄소나노튜브는 전 세계적인 발전추세로 보아, 향후 고부가가치를 창출할 수 있는 첨단전자정보산업에 이용될 원천과학기술분야이다. 따라서 전 세계적으로 탄소나노튜브를 이용하는 새로운 기술혁명이 가져올 엄청난 파급효과가 기대되는 연구분야이다.


1. FED 응용

2000년대 첨단 전자·정보화 시대에는 지금까지 가상적으로 표현되고 있는 표시소자들이 현실로 다가오면서 새로운 개념의 디스플레이가 출현함으로써, 현재 디스플레이 시장을 주도하고 있는 CRT는 다양한 영역에서 평판디스플레이로 대체되고 평판디스플레이를 주축으로 하는 새로운 시장이 형성될 것으로 예상된다. CRT의 뒤를 이어서 각광을 받게 될 평판디스플레이로는 LCD, LED, PDP, FED, EL등이 현재 거론되고 있으나 그 중에서도 고화질, 고효율, 저소비전력을 장점으로 하는 FED(Field Emission Display)가 차세대 정보디스플레이소자로 크게 주목을 받고 있다.



2. 2차전지전극 및 연료전지 응용

탄소나노튜브를 2차전지전극 및 연료전지에 응용할 경우에도 많은 기대효과를 얻을 수 있다. 2차전지에서 가장 중요한 문제는 전지의 무게를 줄이는 것과 충전 효율을 높이는 것이다. 현재 사용되고 있는 수소합금 대신 탄소나노튜브를 적용하면 위 두 가지 조건을 모두 만족시킬 수 있어 이 분야의 혁명적인 변화가 예상된다. 연료전지는 가능한 한 수소저장용량을 증가시켜야 하는데 탄소나노튜브의 빈 공간을 이용하여 수소를 저장하면 이 한계를 극복할 수 있을 것으로 예상된다


탄소나노튜브는 무게가 가벼울 뿐만 아니라 튜브 내에 수소를 저장할 수 있는 공간이 많아서 단위 질량당 전하 저장능력이 뛰어나다. 또 탄소나노튜브는 구조가 안정하여 전극의 수명이 길다는 장점도 갖고 있는 이상적인 전극 재료라고 할 수 있다. 탄소나노튜브를 2차전지 전극으로 쓰면 전극의 무게를 현저히 줄일 수 있어 자동차 배터리, 충전용 건전지, 노트북 컴퓨터 등 소형인 이동형 전자제품에 응용할 수 있어 산업계에 커다란 파급효과를 가져올 수 있다. 또한 탄소나노튜브의 빈 공간에 수소를 저장하여 차세대 연료전지로 사용할 경우, 그 응용범위는 자동차를 비롯한 각종 시스템의 에너지분야에 다양하게 적용할 수 있다.

 

 

CNT의 향후 가능성


탄소나노튜브의 향후 응용분야로 원자현미경의 탐침을 탄소나노튜브로 이용하여 분해 능력을 향상시킬 수 있는 기술과, 탄소나노튜브의 가스 흡착성을 이용하는 가스센서, 생체 조직과의 친화성을 이용한 의료용장치의 부품, 탄소나노튜브의 빈 공간에 수소를 저장하여 저장용량을 증대시키는 기술을 이용한 2차전지 및 연료전지, 나노부품 및 시스템, 고기능 복합체 등 다양한 분야에서 연구가 활발히 진행되고 있다.

탄소나노튜브의 관련기술에 대한 국내의 특허현황을 살펴보면, 1997년에 특허출원건수는 전무한 상태이고, 1998년부터 증가하기 시작하여 내국인 4건, 외국인 13건으로 총 17건이며, 1999년도에는 급격히 증가하여 군산대 연구팀의 탄소나노튜브의 대량합성을 위한 화학기상 증착장치 등을 위시하여 내국인 50건, 외국인 15건으로 총 65건이 출원되어서 국내의 연구개발도 활발히 진행되고 있음을 알 수 있다.

탄소나노튜브에 대한 기술동향을 살펴보면, 국내의 탄소나노튜브의 대량합성과 응용기술을 선진국과 비교해봤을 때, 열 CVD법에 의한 고순도 탄소나노튜브 대면적 합성과 FED응용기술 분야만이 우위에 있고, 플라즈마 CVD법에 의한 탄소나노튜브의 저온 수직배향기술, 탄소나노튜브의 구조제어 및 팁 형태조절 기술, 탄소나노튜브 에미터 응용기술 등 대부분 기술에서 열세에 있는 것으로 보여진다. 그러나 열 CVD법과 기상합성법에 의한 대량합성기술에서는 선진국과 비슷한 수준을 갖추고 있으며, 이 분야에 대한 원천기술을 조기에 확보하고 신속하게 사업을 추진한다면 세계시장에서 경쟁력을 갖출 것으로 보여 진다.

탄소나노튜브의 산업 활용은 시간이 지나면서 급격히 확대 된다는데 이견이 없다. 탄소나노튜브가 광기능소자 부품, 디스플레이, 각종 첨단기기 소재로서 무한한 활용이 예상되기 때문이다. 관련 자료에 따르면 지난 2002년의 탄소나노튜브 세계시장은 1천2백만달러 규모였지만 매년 최소 20%이상의 성장세를 보일 것으로 전망됐다. 

과학계의 관심이 나노기술에 집중되는 가운데 탄소나노튜브 관련 기술개발이 활발한 상황이지만 아직은 실용적인 단계에 이르지 못하는 실정이다. 그 이유는 소재생산에서 경제성을 가진 양산화기술이 아직 개발되지 않았기 때문이다. 현재 1 그램의 탄소나노튜브 생산에 수십만원의 생산비가 요구된다. 따라서 향후 어느 나라가 양산기술을 확립할 것인가에 따라 국가적인 우위를 차지할 것인지가 결정될 전망이다. 

또 소재를 이용한 응용제품 개발 기술도 미미한 실정이다. 반도체 소재로 유망하지만 현재의 기술로는 10년 이상이 걸려야 탄소나노튜브 반도체가 등장할 것으로 보인다. 이와 함께 소비자에게 어필할 수 있는 대표적인 응용제품이 등장하지 않은 점 등도 실용화를 가로 막는 장애 요인, 소재에 관한 원천기술은 물론 응용 기술이 동시에 따라야 한다는 지적 이다. 특히 우리의 경우 삼성 등 일부 대기업만이 탄소나노튜브에 관심을 가질 뿐 대부분의 산업계가 아직 나노튜브에 관심을 기울이지 않는 점도 지적된다.


그림 1. 탄소나노튜브 나노복합재료를 제조하기위해 개발된 새로운 분자수준 합성공정의 개략도탄소나노튜브를 금속세라믹고분자재료와 분자수준에서 혼합하고 합성함으로서 탄소나노튜브의 이상적인 균일 분산을 해결하였음.


그림 2. (a) 분자수준합성공정으로 제조된 탄소나노튜브/구리 나노복합분말의 표면의 전자현미경 사진으로 탄소나노튜브 (사진상 흰 점으로 보임)가 구리(Cu) 내부에 균일하게 분산되어 있음.

(b) 위 나노복합분말을 확대한 사진으로 탄소나노튜브가 구리(Cu)분말 내부에 묻혀있는 형상으로 균일하게 분산되어 있음을 나타냄.


그림 3. (a) 탄소나노튜브가 구리(Cu)기지에 균일하게 분산된 미세조직(사진상의 흰색점이 탄소나노튜브)을 보여주는 탄소나노튜브/구리 나노복합재료 표면의 주사전자현미경 사진.

(b) 탄소나노튜브가 구리(Cu)기지내에 분산된 탄소나노튜브/구리 나노복합재료의 내부 탄소나노튜브의 분산상태를 보여주는 투과전자현미경


그림 4. (a) 분자수준 합성공정을 이용하여 제조된 실린더모양의 탄소나노튜브/구리 나노복합재료.

(b) 실린더모양의 탄소나노튜브/구리 나노복합재료를 가공하여 제조된 고강도고탄성내마모 나노복합재료 시제품 판재.

 





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