키스티(정인수) 내지0618 f -...

기능성 탄소나노튜브 복합체의

개발현황과전망정인수∙김은주∙김원석

차

례

꿈의신소재“탄소나노튜브”

차세 기능성탄소나노튜브

전세계의탄소나노튜브복합소재개발열풍

시장활성화가전망되는탄소나노튜브복합소재

맺음말

참고문헌

5

9

43

67

82

84

기능성탄소나노튜브

복합체의개발현황과전망

2013년 5월 30일 인쇄

2013년 6월 1일 발행

발 행 인 | 박 서

지 은 이 | 정인수∙김은주∙김원석

펴 낸 곳 | 한국과학기술정보연구원 정보분석연구소

주 소 | (분원)서울특별시 동 문구 회기로 66

주 소 | (본원) 전광역시 유성구 학로 245

전 화 | 062-951-7704

팩 스 | 062-953-2472

ISBN | 978-89-294-0298-3 93570

�이 책은 저작권법에 따라 보호받는 저작물이므로 무단전재와 무단복제를 금지하며,

이 책 내용의 전부 또는 일부를 이용하려면 반드시 저작권자와 한국과학기술정보연구원의

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�이 의 내용은 필자의 견해이며, 한국과학기술정보연구원의 공식적인 의견이 아님을 밝힘니다.

꿈의 신소재“탄소나노튜브”

튜브를 충전제로 사용하여 특성을 향상시키는 고분자 복합체이다.

탄소나노튜브 고분자 복합체의 분류

탄소나노튜브 고분자 복합체는 형성방법에 따라 분류할 수 있는데,

박막인쇄법을 이용한 투명전극과 전계방출전극 등의 2차원 형태로

사용되는 박막형 복합체와 압출과 사출에 의한 3차원 형태로 사용되

는 벌크형 복합체로 구분될 수 있다.

고분자와 탄소나노튜브를 이용한 복합체는 박막형으로 투명전극과

전계방출전극 등으로 사용되며, 벌크형으로는 고강도, 전자파차폐,

고방열 재료로 적용될 수 있지만, 이들의 상용화 실현을 위해서 해

결해야 될 이슈는 탄소나노튜브 가격과 다양한 고분자내에서의 탄소

나노튜브 분산기술을 들 수 있다.

／ 꿈의 신소재“탄소나노튜브”／

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21세기에 접어들면서 나노미터크기의 극미세 물질의 등장에 의해

새로운 물리현상들에 한 관심과 연구결과가 보고되면서 나노 과학

기술이라는 새로운 역이 태동하게 되었고, 이러한 나노과학은 21

세기를 선도해 나갈 수 있는 과학기술로서 부각되고 있다.

탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)는‘꿈의 신소재’, ‘21세기

나노기술의 보석’으로 불리면서 나노과학기술의 표적인 나노물질

로 각광을 받고 있으며, 처음에는 국내의 학과 연구소를 중심으로

연구를 시작하여 일부 중소기업을 중심으로 탄소나노튜브 생산과 응

용제품에 한 연구가 진행되어 왔으며, 최근에는 한화나노텍, 금호

석유화학, 효성 등의 기업이 진출하면서 소재 및 응용제품의 상용

화 실현을 앞당기고 있다.

탄소나노튜브의 응용분야

탄소나노튜브의 응용분야로는 고기능성 복합체, 에너지 저장 소재/

첨가재, LCD용 백라이트, 조명, 단전자소자, 트랜지스터 등이 있으

며, 최근 상업화 관점에서 가장 각광을 받고 있는 분야는 탄소나노

／ 정보분석보고서 ／

6

꿈의신소재“탄소나노튜브”

차세기능성 탄소나노튜브

탄소나노튜브 응용에 가속력을 더한 결과는 1998년 Ren등에 의

해서 발표된 유리기판위에 플라즈마 화학증착법을 이용한 탄소나노

튜브의 수직성장으로, 이는 전계방출과 섬유등 많은 부분에 향을

주었다.

이후에 분말형태로 탄소나노튜브를 합성하는 기상합성법이 개발되

었으며, 이는 탄소나노튜브를 량으로 합성할 수 있는 방법으로서

복합체에 적용이 가능하여 탄소나노튜브의 상용화에 가장 근접한 합

성법으로 알려져 있다.

지금까지 알려진 탄소동소체로서, 다이아몬드, 흑연, 플러렌, 탄소

나노튜브가 존재하며, 다이아몬드가 탄소원자 4개와 sp3결합을 하여

정4면체를 이루는 반면, 탄소나노튜브는 흑연면(graphite sheet)이

나노크기의 직경으로 실린더형태를 취하고 있다.

하나의 탄소원자는 3개의 다른 탄소원자와 sp2 결합의 육각형 벌집

무늬를 이루며, 이 튜브의 직경이 략 수 nm 정도로 극히 작기 때

문에 나노튜브라고 부르게 되었다.

또한, 탄소나노튜브는 비등방성이 큰 구조(직경: 수십~수백 nm,

길이: 수십~수백μm)를 지니고 있으며, 감기는 흑연층의 갯수에 따

라 단일벽(single-wall), 다중벽(multi-wall) 나노튜브로 분류된다.

특히, 단일벽 탄소나노튜브의 경우 감긴 형태에 따라 도체, 반도체

의 성질을 띠며 직경에 따라 에너지갭이 달라지고, 준일차원적 구조

를 가지고 있어 특이한 양자효과를 나타낸다.

／ 차세 기능성 탄소나노튜브 ／

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탄소나노튜브란?

1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소 동소체(allotrope)의 하나인

Fullerene(탄소원자 60개가 모인 것: C60)을 처음으로 발견하여 또

다른 탄소동소체가 존재할 수 있음을 암시하 다.

1991년 일본 NEC 부설연구소의 Iijima 박사가 전기방전법에 의

해 형성된 탄소덩어리를 분석하는 과정에서 길이 수십 nm ~ 수 ㎛,

외경 2.5~30 nm의 가늘고 긴 빨 모양의 탄소나노튜브를 발견하

여 Nature에 발표하 다.

1992년 Ebbesen과 Ajayan은 이의 수율증가법을 개발하 고,

이듬해인 1993년 Bethune과 Iijima가 전기방전법을 이용하여

직경 약 1nm의 단일벽탄소나노튜브 (single walled carbon nanotube;

SWNT)의 합성을 발표하 으며, 이후, SWNT의 고수율 합성 방법으

로 1996년 Smalley등의 레이저 증착법(laser vaporization)이 발

표하 는데, 이때 SWNT는 빨 뭉치 같은 bundle로 존재함을 확인

하 다.


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차세 기능성탄소나노튜브

로 엉켜있는 것을 다발형 탄소나노튜브로 분류하며, 다중벽 탄소나

노튜브는 벽의 개수가 3개 이상이며, 직경이 100 nm 미만인 것으

로 분류된다.

탄소나노튜브의 물성은 아래표에 나타내었으며, 그 중 탄소나노튜

브의 특이한 전기적 특성은 흑연의 전기적 구조와 1차원적 구조에

기인하여 매우 낮은 저항값을 나타내며, 단일벽 나노튜브의 경우 전

류수송능력이 구리의 1,000배에 해당되며 전기저항값은 구리의

1/100에 불과함을 알 수 있다.

탄소나노튜브는 탄소와 탄소간에 sp2결합을 이루고 있어서 구조적

으로 매우 높은 강성과 강도를 나타내며, 특히, 단일벽 탄소나노튜

브의 경우 률 5.5 TPa, 인장강도 ~45 GPa을 보유하므로서, 기

존복합재의 성능을 개선하여 고강도/초경량 복합재료의 충전제로 사

용될 수 있으며, 전기전도성이 우수한 점을 이용하여 전자파 차폐,

정전방지 및 방열재로 등으로 응용되고 있다.

탄소나노튜브의 구조 및 물성이 보여주는 다기능성은 차세 첨단

표시소자, 고집적 메모리소자, 2차전지 및 초고용량 캐패시터

(super-capacitor)등의 응용분야에서 사용될 것으로 예상되며, 특

히, 탄소나노튜브의 인장강도가 강철보다 수백 배 강하고, 열전도도

가 다이아몬드보다 우수하며, 전기전도도가 구리를 뛰어넘는 특성을

보유함으로 다양한 복합소재로의 응용이 기 된다.


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단일벽 탄소나노튜브는 표적으로 금속성질을 가지는 arm-chair

구조 및 반도체성질을 가지는 zigzag구조로 분류되고, 단일벽 탄소

나노튜브가 개개의 나노튜브들이 서로 van der Waals힘에 의해 서


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>>>표 1 탄소나노튜브의 물성

특성 단일벽 탄소나노튜브 다중벽 탄소나노튜브 비고

직경(나노미터) 1.2 ~ 3.0 10 ~ 100 -

도(g/cc) 1.33 ~ 1.40 - 알루미늄(2.7)

저항(ohm∙cm) 10 x 10-4 5.1x10-6 구리(1.7x10-6)

열 전도율(W/m∙K) Max 6,000 Max 3,000 다이아몬드(3,300)

자료 : KETI, ‘CNT 생산 및 응용분야 사업화 동향’(2007)

>>>그림2 탄소나노튜브의 구조

>>>그림3 감긴 형태에 따른 단일벽 탄소나노튜브의 구조

>>>그림1 탄소 동소체의 종류와 구조

Graphite

Single-wall Nanotube

(n, n)

armchair

(n, 0)

zig-zag

chiral

Multi-wall Nanotube Nanotube Rope

Diamond Fullerene Carbon nanotube

이금속이 포함된 촉매를 사용하지 않고 탄소봉만 사용하면 음극쪽에

다중벽 탄소나노튜브가 생성되며 전이금속 촉매(Co, Ni, Fe, Y 등)

를 탄소봉에 섞어 사용하면 단일벽 탄소나노튜브가 생성된다.

고품질의 탄소나노튜브를 합성하기 위해서는 전기방전이 일어나는

동안에 두 전극 사이의 거리를 1 mm 이하로 일정하게 유지시켜야

한다.

챔버 내의 기체의 압력과 인가전류도 중요한 변수이며, 압력이 증

가하면 탄소나노튜브의 생산량이 증가하지만, 너무 높은 압력은 탄

소나노튜브의 수율을 떨어뜨린다.

두 극 사이에는 직류전원을 사용하는데 20~40 V의 전압범위에서

전류는 50~100 A 정도로 안정된 플라즈마를 유지할 수 있는 범위

내에서 가능한 한 낮은 값을 갖는 것이 좋다.

레이저 증착법(Laser Vaporization)

1995년에 미국 Rice 학의 Smalley그룹은 레이저 증착법을 이

용하여 탄소나노튜브를 합성하 는데, 이는 1200℃의 오븐 안에

있는 흑연 target에 레이저를 조사하여 흑연을 기화시켜 탄소나노튜

브를 합성하는 방법으로, 이때 운반가스로는 헬륨이나 아르곤가스가


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다양한 탄소나노튜브 합성법

1992년 NEC의 Iijima등이 전기방전법(arc-discharge)에 의해 다

중벽 탄소나노튜브의 발견을 처음 발표한 이후, 1993년에는 IBM

의 Bethune등과 NEC의 Iijima 등이 직경 1 nm 수준인 단일벽 나

노튜브(single walled nanotube; SWNT)를 전기방전법으로 합성하

다.

이후, 1996년에 미국 Rice 학의 Smalley 등은 레이저증착법

(laser vaporization)으로 직경이 균일한 SWNT를 고수율로 합성시

키는 방법을 발표하 고, 1998년에 Ren 등이 플라즈마 화학기상증

착법을 개발하여 고순도의 탄소나노튜브를 유리기판위에 수직성장하

다.

최근, 기상합성법을 이용한 탄소나노튜브합성을 성공한 이후, 일부

업체들이 이 방법을 이용한 양산체제를 구축하고 있다.

탄소나노튜브 합성방법의 변화에 따라서 전기방전법(arc-

discharge), 레이저증착법(laser vaporization), 플라즈마 화학기상

증착법(plasma enhanced CVD), 열화학 기상증착법(thermal

chemical vapor deposition), 기상합성법(vapor phase growth) 의

5가지를 소개하며, 이를 이용한 탄소나노튜브의 국내외적인 생산동

향을 소개한다.

전기방전법(Arc-discharge)

전기방전법에 의한 탄소나노튜브 합성방법은 두 전극사이에 전위차

가 발생하여 방전이 일어나면 양극으로 사용된 그라파이트 봉에서

떨어져 나온 탄소 입자들이 낮은 온도로 유지되고 있는 음극 그라파

이트 전극으로 이동하여 탄소입자가 응축되면서 탄소나노튜브가 합

성되는 방법으로 Iijima에 의해 소개되었다.

아래그림은 전기방전법에 한 표적인 모식도이며, 양극으로 전


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>>>그림4 탄소나노튜브 합성을 위한 전기방전장치 개략도

지고 있으며, 시료의 처리과정이 간략하고 량생산 밍 고순도의 탄

소나노튜브의 성장이 가능하여 정제의 필요성이 크게 줄어든다는 장

점이 있어 다양한 응용분야에 탄소나노튜브를 적용시키는데 기 되

는 합성방법이다.

열화학 기상증착법을 이용한 탄소나노튜브를 합성하는 방법은 먼저

여러가지 기판 위에 Fe, Ni, Co, 등의 금속을 증착하고 이 시료를

열 화학기상증착법 장치에 투입하고 약 600~850℃의 온도에서

NH3, H2 등의 가스로 시료의 촉매금속을 식각하여 나노사이즈의 작

은 그레인들을 형성시킨 다음, 나노사이즈의 촉매금속 그레인들 위

에 다양한 탄화수소가스를 공급하여 탄소나노튜브를 합성하는 방법

이다.

탄소나노튜브의 직경은 촉매금속의 크기에 향을 받으므로 식각가

스의 유량을 조절하여 촉매금속의 크기를 조절할 수 있고, 이로부터

다양한 직경의 탄소나노튜브를 합성할 수 있다.


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사용되고 오븐의 압력은 500 Torr 정도로 유지한다.

Target에서 기화된 흑연은 차가운 collector에 흡착되어 응축하는

데 응축물질에는 탄소나노튜브 외에도 탄소나노입자가 섞여있다. 또

한, 순수한 흑연 target 신에 Co, Ni, Fe 촉매금속 등이 혼합된

흑연을 target으로 사용하면 균일한 단일벽 탄소나노튜브를 얻을 수

있다. 탄소나노튜브의 수율은 70wt%로 높은편이지만, 합성비용이

고가인 단점이 있다.

화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition)

화학기상증착법은 촉매가 증착된 기판을 고온으로 가열된 상태에서

탄소가 포함된 가스를 투입하고 열, 플라즈마 또는 열과 플라즈마를

이용하여 투입된 가스를 분해하여 촉매로부터 탄소나노튜브가 합성

시키는 방법으로 탄소포함가스의 분해방식에 따라 크게 열 화학기상

증착법(Thermal Chemical Vapor Deposition; TCVD)와 플라즈마

화학기상증착법으로 구분된다.

열화학 기상증착합성방법은 생성물이나 원료가 다양하고 고순도물

질을 합성하기에 적합하며 미세구조를 제어할 수 있다는 장점을 가


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>>>그림5 레이저 증착법의 개략도

>>>그림6 열 화학기상증착장비 개략도

Water Cooled

Cu CollectorNd YAG Laser

Graphite Target

Ar gas

1200℃ Furnace

Gas outlet

Thermo coupleHeating Coil

Heater ON

Heater OFFADJ

TemperatureControler

Mass flowmeter

C2H2

NH3

Ar

ControlBOX

기상합성법(Vapor Phase Growth)

위 그림은 탄소나노튜브의 기상합성법에 사용되는 장치의 개략도를

보여주고 있으며, 기상합성법에 의한 탄소나노튜브 합성은 종래의

VGCF (Vapor-grown carbon fibers) 제조공정의 변형된 방법이며,

촉매입자와 반응기체가 반응기 안으로 연속적으로 주입되면서 탄소

나노튜브가 합성되는 방법이다.

C2H4, CO, CH4, C2H2, benzene 및 xylene 등의 탄화수소물질과

전이금속촉매를 함유한 유기금속화합물로서 Fe(CO)5 혹은

Ferrocene 등을 반응로에 동시에 흘려줌으로서 탄소나노튜브 합성

이 시작된다.

Fe(CO)5의 기화온도는 105℃이고 250℃에서 분해되며,

Ferrocene은 185℃에서 승화되며 400℃ 이상에서 분해되기 시작

하는데 가열로 안에서 분해된 Fe 원자는 기상에서 클러스터를 형성

하면서 탄소나노튜브 성장을 위한 핵을 형성한다.

탄소나노튜브의 합성원리는 탄화수소기체가 분해되어 금속입자의

표면에서 화학흡착 및 금속탄화물을 형성하여 금속의 표면에서 포화


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플라즈마 화학기상증착방식은 방전공간을 전극 사이에 끼우고 전극

에 인가되는 고주파전계에 의하여 로우 방전을 발생시켜 원료기체

를 반응시키는 방법이다.

열화학기상증착법과 같이 기판에 수직으로 배향된 탄소나노튜브를

성장시킬 수 있으며, 열화학기상증착법보다 저온에서 탄소나노튜브

를 합성할 수 있다는 장점이 있다.

탄소나노튜브를 성장시킬 기판은 접지된 하부 전극측에 놓이며 원

료기체의 공급은 탄소나노튜브를 균일하게 성장시키기 위하여 상부

전극 쪽으로부터 공급하는 경우가 많은데, 이때 탄소공급원으로

C2H2, CH4, C2H4, C2H6, CO 가스를 사용하여 탄소나노튜브를 합

성하며 Si, SiO2 혹은 glass 기판위에 Fe, Ni, Co 등의 촉매금속을

증착하고 이 금속을 전처리하여 나노사이즈의 작은 그레인들을 만든

후에 위의 반응기체들을 RF로 로우 방전을 일으켜서 기판 위에 탄

소나노튜브를 합성한다.


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>>>그림7 플라즈마 화학기상증착장비 개략도

>>>그림8 기상합성장치 개략도

Hot filament

반응기체

기판

기판가열히터

회전축

배기

고주파전원

Mass flowmeter

ArTemperature

Controller

Cold

Trap

Paraffin

Bubbler

Quartz tube1st Furnace 2nd Furnace

생산된 탄소나노튜브는 전기전도성 복합소재로의 상용화가 가장 활

발히 진행되고 있으며, 투명전극용 소재 및 전계방출용 소재로의 응

용이 그 뒤를 따르고 있다.


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되어 금속입자 내부로 확산되고 그 입자들의 뒷면에 응결되어 탄소

나노튜브로 성장된다.

기상합성법은 기판을 사용하지 않고 나노사이즈 분말의 촉매금속

또는 촉매금속을 포함한 유기촉매금속만 있으면 기상에서 촉매금속을

매개체로 성장되므로 량으로 합성에 유리한 장점을 가지고 있다.

활발한 탄소나노튜브 생산 기업들

세계적으로 가장 활발하게 CNT를 생산하는 업체는 독일의 Bayer

과 벨기에의 Nanocyl로서 복합체 및 마스터배치 개발에 중점을 두

고 있으며, 일본과 미국에서도 10여개 정도의 기업이 CNT를 생산

하고 있는 것으로 추정되고 있다.

미국업체로는 Hyperion등이 있으며, 일본 업체로는 Showa

Denko, Nano Carbon Tech. 등이 있다. 점차 응용제품의 사업화

형성 분위기가 조성되면서 일본의 Showa Denko는 연간 500톤 규

모의 량생산 설비를 갖춘것으로 알려져 있으며, 미국의 Hyperion

Catalysis International은 연 생산 200톤의 MWCNT를 생산하고

있다.

독일의 Bayer에서는 유동층 반응기를 이용한 MWCNT 합성장비를

개발하는 등 유럽에서는 량합성 장치 및 공정기술에 관한 개발을

적극적으로 추진하고 있으며, 자사 제품을 활용하여 CNT 고분자 복

합소재의 시제품도 출시하고 있다.

국의 Tomas Swan社는 수직형 반응기를 이용하여 합성한

SWCNT와 MWCNT를 판매하고 있으며, 고분자 masterbatch 제품

도 역시 제조하고 있다. Tomas Swan 社는 일본에 사무소를 설치하

여 아시아 지역을 상으로 본격적으로 업을 착수하고 있다.

국내의 탄소나노튜브 생산은 한화나노텍, 금호석유화학, 제일모직,

효성 등의 기업을 중심으로 활발히 진행중이다.


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>>>표 2 국외의 탄소나노튜브소재의 량합성에 관한 업계의 동향

회사명 국가 생산 능력

Nano Carbon Tech. 일본 MWCNT : 연간 20~30톤

Showa Denko 일본 MWCNT : 연간 500톤

GSI 크레오스 일본 MWCNT 연간 10톤

Shinshen Nanotech 중국SWCNT, 연간 2톤MWCNT 연간 10톤

Hyperion Catalysis 미국 MWCNT 연간 200톤 이상

Nanocl 벨기에 MWCNT 연간 460톤 이상

Bayer 독일 MWCNT 연간 260톤 이상

Tomas Swan 국 SWCNT 연간 1톤 규모

Arkema 프랑스 MWCNT 년간 400톤 규모

>>>표 3 국내의 탄소나노튜브소재 생산 업체 및 현황

회사명 업계동향 비고 (용도)

제일모직 t-MWCNT/DWCNT/MWCNT 합성복합재료

투명전극재료

금호석유화학세메스의 탄소나노튜브 사업부 인수

복합재료MWCNT (2013년 300톤 생산량 계획)

효성 MWCNT 합성 (20톤/년) 복합재료

투명전극재료한화나노텍 SWCNT, MWCNT 전계방출소자재료

복합재료

CNT MWCNT 합성 (~20톤/년) 복합재료

제이오 MWCNT 합성장치 및 소재 개발 복합재료

카본나노텍 MWCNT 합성 (~45톤/년) 복합재료

탄소나노튜브 응용을 위한 정제

여러 가지 방법에 의해 합성된 시료에는 탄소나노튜브 외에 비정질

탄소, 플러렌, 촉매전이금속들이 포함되어 있고, 이러한 불순물들은

탄소나노튜브의 물리, 화학적 특성변화를 유발하며, 제한적인 응용

의 요인이 된다.

탄소나노튜브 외의 이러한 불순물을 제거하기 위한 정제법으로는

액상 산화법, 기상산화법, 필터링법, 크로마토그래피법등이 있다.

액상 산화법은 강산용액을 이용하는 방법을 의미하며, 주로 반응시

간, 온도, 산의 종류, 농도 등을 최적화하여 수율을 증가시키며, 산

처리 후 형성된 카르복실기등은 불활성 가스중에서 가열후 제거하여

탄소나노튜브의 고온안정성을 부여한다.

기상 산화법은 공기분위기에서 고온 열처리를 통해 비정질탄소를

제거하는 방법으로, 전기방전법에 의해 합성된 촉매전이금속이 존재

하지 않는 다중벽탄소나노튜브의 정제에 가장 효과적이며, 촉매전이

금속이 존재하는 탄소나노튜브의 정제시에는 먼저 기상산화법을 이

용한 비정질탄소의 제거 후 액상산화법에 의한 촉매전이금속의 제거

하는 방법을 사용한다.


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아래는 MWCNT, CNF, 탄소섬유 및 카본블랙의 현재의 가격 수준

과 향후 가격 동향의 추이를 보여주고 있다.

현재 MWCNT의 가격은 kg 당 200유로 수준이며, 가격 비 성능

수준을 감안하면 CNT의 가격이 kg당 50유로 이하로 떨어지면 다

른 경쟁 소재를 체할 수 있는 수준에 도달할 수 있고, 고분자 복

합소재 등 다양한 응용분야에서 범용으로 사용될 수 있을 것으로 예

상된다.

전 세계적으로 량합성 공정 및 설비구축을 위해 많은 투자와 노

력을 진행하고 있으므로 kg 당 50유로 수준을 충분히 달성할 것으

로 전망된다.


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>>>그림9 Bayer사의 유동층 합성장비

>>>그림10 향후 탄소소재의 가격 동향 예측

>>>그림11 HR-TEM 사진

(a) pristine SWCNTs,

(b) heat-treated SWCNTs,

(c) HCl-treated SWCNTs, and

(d) HNO3-treated SWCNT.

안 반응성 기체를 주입하면서 열을 가하여 탄소나노튜브를 분쇄하는

방법이며, 탄소나노튜브의 옆면이나 끝단에서 반응기체와의 반응하여

탄소나노튜브의 길이가 짧아지고 종횡비가 작아지는 경향을 보인다.

공유결합 표면개질은 탄소나노튜브 표면의 sp3혼성화를 부분적으

로 붕괴시키면서 표면작용기를 도입하는 것을 의미하는데, 표면개질

그룹이나 분자가 탄소나노튜브 끝이나 옆면에 공유결합하는 것을

first generation (1G) 표면개질이라 하며 1G표면 개질 후 두 번째

작용기를 도입하는 것을 second generation (2G) 표면개질이라 한다.

가장 일반적인 공유결합적 표면개질은 강산(질산, 황산-질산 혼합

물, 황산-과산화수소 혼합물 등)에 의한 산화반응을 이용하는 것인

데, 산화 처리 후 생성되는 탄소나노튜브의 결점에 카르복실기, 하이

드록실기, 카보닐기, 에스터기, 나이트로기 같은 작용기를 도입할 수

있지만 산화반응 후 공유결합적 표면개질은 탄소나노튜브에 결점을

유발하여 탄소나노튜브의 특성저하를 가져올 수 있는 단점이 있다.

공유결합 표면개질은 탄소나노튜브를 구성하는 탄소들의 강한 sp2

혼성결합에 때문에 쉽게 일어나지 않으므로, 이를 개선하기 위해 높

은 반응성을 보유한 불소라디칼을 도입하는 1G 표면개질을 한 후

2G 표면개질에 의한 작용기 도입이 수월하다.

비공유결합 표면개질은 탄소나노튜브의 전기적인 특성을 유지하면

서 표면개질을 할 수 있는 방법으로서 비공유결합 표면개질 방법에

는 다양한 분자들로 탄소나노튜브를 둘러싸거나 양친성 분자로 탄소

나노튜브 표면을 개질하는 것을 의미한다.

계면활성제 등의 양친성 물질을 이용하여 탄소나노튜브의 표면을

개질하는 방법이 가장 간단하면서 효과적인 비공유결합 표면개질로,

계면활성제의 소수성 부분은 탄소나노튜브 표면에 흡착되고 친수성

부분은 극성용매와 결합하는 형태로 되어 탄소나노튜브가 극성용매

에 분산하게 된다.


25

산처리를 하지 않고 금속을 제거하는 방법으로 원시료를 고온 기상

처리하는 방법이 개발되기도 하 는데, 이는 금속을 고온소성로에서

1700℃이상 열을 가하거나 낮은 압력에서 1400℃ 이상의 온도를

가하면 촉매전이금속이 기화되는 특성을 이용한다.

분산을 위한 탄소나노튜브의 표면개질

탄소나노튜브는 튜브와 튜브간의 강한 반데르발스 상호작용으로 인

하여 응집되어 있는데, 이러한 응집현상은 복합체를 제조할 경우 복

합체 내에서 탄소나튜브의 균일한 네트워크 구성을 방해하므로 고분

자 매트릭스 내에서 탄소나토튜브를 잘 분산시키지 않으면 기계적,

전기적, 열적 물성을 향상시키기 위한 충전제로서 나노튜브의 역할

을 기 할 수 없으므로 응집되어 있는 튜브를 고르게 분산시키는 일

이 탄소나노튜브 복합체 제조에서 중요한 단계이다.

탄소나노튜브를 분산시키기 위해서 초음파처리, 링 및 고전단력

을 이용한 기계적 표면개질, 산처리에 의한 탄소원자와 기능기간의

화학적 공유결합을 이용하는 공유결합 표면개질 및 분산재 등을 사

용하여 탄소나노튜브 표면 개질화에 의한 비공유결합 표면개질을 사

용하고 있으며, 위에서 언급된 방법들을 혼용하여 사용하기도 한다.

기계적 표면개질은 질소 환경이나 진공상태에서 볼 링하는 과정동


24

>>>그림12 HR-TEM 사진

(a) pristine SWCNTs synthesized by

HiPco method and

(b) heat-treated SWCNTs at 1780 C

for 5h in vacuum.

탄소나노튜브의 기능성 용도 개발

탄소나노튜브의 1차원적 구조와 더불어 독특하고 우수한 전기적,

물리적, 화학적 특성 때문에 고기능성 복합체, 에너지 저장용 소재

및 전극, 전계방출 소재, 트랜지스터와 분석용 소재 등에서 그 역할

이 크게 기 되고, 그 응용에 한 많은 연구가 진행되어 왔다.

나노복합체(nanocomposites)는 탄소나노튜브등의 나노탄소재료를

수지 내에 분산시켜 만든 복합체이며, 일반적으로 고분자의 특성을

유지하면서 충전재의 특성을 갖는 기능성 재료가 된다.

나노복합체는 기존의 충전재를 분산시켜 표면적을 극 화하여, 투

입량을 최소화함으로서 첨가제 투입으로 인한 물성저하를 막는데 있

으며, 기존수지의 내충격성, 인장성 등의 손실 없이도 강도나 내마

모성 등의 기계적 성능과 전기적 성능을 한층 높일 수 있다.

또한, 충전재로는 탄소섬유, 카본블랙(carbon black), 탄소나노튜


27

탄소나노튜브 표면에 결함을 발생시키지 않고 고분자를 이용하는

또 다른 개질방법으로 polyvinyl pyrrolidon(PVP)과 polustyrene

sulfonate(PPS)로 탄소나노튜브를 감싸면 탄소나노튜브 사이의 결합

력이 약해지고 용매내에서 분산이 잘 되는 것으로 알려져 있다.

비공유결합 표면개질의 또다른 방법으로 π-π상호작용을 통해 탄소

나노튜브를 분산시키는 polymer non-wrapping법이 개발되었다.

그 외 물리적 방법으로 표면개질하는 방법으로는 플라즈마나 감마

선 조사 후 화학적 표면개질하는 방법이 사용되기도 하는데, 이는

낮은 반응온도에서 표면개질 정도의 조절이 가능하고 낮은 오염 및

짧은 처리시간이 장점이지만, 플라즈마 방전에 의해서 생선된 여기

된 기체분자와 라디칼은 탄소나노튜브 끝단을 열거나 표면에 결점을

만들 수 있는 단점이 있다. 하지만, 이렇게 생성된 결점에서 기능기

와 화학적 결합이 가능하여 쉽게 표면개질이 가능할 수 있다.


26

>>>표 4 선진국의 표적 CNT의 기능화 기술

연구그룹 기능화 방법 용도 응용분야

IBM(Bethune), Liu 산처리와 열처리연료전지용 수소저장, 수소저장소재 연료전지

Smalley, 산처리공정 (카르복실화) MWCNTFED/lamp 표시소자Saito, Chang, Zhou 이용, 전도성에폭시복합체

Lieber 산처리를 통한 카르복실화 AFM/STM 탐침 탐침

Hongjie Dai 산처리를 통한 카르복실화 단백질고정화 바이오/의약

Zhou 비닐모노머를 CNT 표면에 이식 CNT 복합체 복합재료

Riggs 폴리머가 이식된 CNT를 합성 복합 박막 광학재료

Viswanathan 스티렌 중합반응CNT-polymer

복합재료복합재료

자료 : 고전도성 CNT-고분자 복합재 개발, 연구기획 최종보고서 (2008)

>>>그림13 탄소나노튜브의 응용분야

브를 2차전지 전극으로 사용할 경우에는 자동차 배터리, 충전용 건

전지, 노트북 컴퓨터 등의 소형 이동용 전자제품에 응용할 수 있는

가능성이 크며, 2차전지의 전극첨가재로 사용할 경우, 전극의 전기

전도성 향상 및 충방전 수명을 향상시켜 장수명의 고속 충방전 전극

형성에 도움을 줄 것으로 예상된다.

연료전지 분야에 있어 탄소나노튜브의 응용은 이동식 연료전지의

수소저장체와 개질기의 촉매 담체로 이용이 활발히 진행되고 있으

며, 연료전지 시장의 최 수요처인 자동차용 연료전지는 차체 내에

탑재된 수소통 또는 수소발생기에서 수소를 공급받고 이것을 기

중의 산소와 반응시켜 얻는 전기로 움직이게 된다.

따라서 자동차의 이동효율을 높이려면 많은 양의 수소를 적은 부피

로 저장해야하는데, 이 때, 탄소나노튜브의 빈 공간을 이용하면 저

장용량이 증가된다.

탄소나노튜브는 무게가 가벼울 뿐만 아니라 튜브 내에 수소를 저장

할 수 있는 공간이 많아서 단위 질량 당 전하저장능력이 뛰어나므로

탄소나노튜브를 이용한 연료전지가 개발되면 체에너지원으로 크게

각광을 받을 것으로 기 된다.


29

브 등이 사용되며 고강도, 정전기 방전, 전자기 차폐 및 방열용 플

라스틱에 사용될 수 있다.

초고용량 커패시터는 에너지 저장 메커니즘이 산화 환원과정이 있

는 열역학적(thermodynamic)인 메커니즘에 의존하는 2차전지와는

달리 매우 빠르고 가역적인 이온들의 운동학적(kinetic)인 메커니즘

에 기인하는 것이어서 충전속도가 매우 빠르고 충방전 효율이 배터

리보다 높으며 충방전 반복 사용수명이 10만회 이상으로 매우 우수

하며, 초고용량 캐패시터의 에너지 도는 2차전지의 약 1/10 수

준에 불과하나 동력 도는 거의 100배 가까운 수준이어서 전기자동

차의 전원용으로 현재 주목받고 있다.

탄소나노튜브를 이용한 초고용량 캐패시터 연구는 탄소나노튜브의

종류, 전극 처리방법 및 전해액의 종류에 따라 각기 다른 성능을 나

타내고 있으나, 단일벽 탄소나노튜브가 다중벽 탄소나노튜브에 비해

비교적 높은 비축전용량을 나타냄을 알 수 있다.

탄소나노튜브를 2차전지 전극 및 연료전지에 응용한 경우에도 많

은 효과를 얻을 수 있는데, 현재 사용되고 있는 수소흡착 합금 신

에 탄소나노튜브를 사용하면 지금의 2차전지에 비해서 무게를 월등

히 줄일 수 있고 충전효율을 크게 높일 수 있다. 따라서 탄소나노튜


28

>>>그림14 탄소나노튜브의 초고용량 캐패시터로의 응용

>>>그림15 탄소나노튜브의 리튬이차전지전극의 응용

Activated carbon Carbon nanotube

SWCNT

Separator

Electrolyte

Ions

CNTA electrode(35 μm)

ECNTelectrode(50 μm)

Separator

탄소나노튜브의 큰 종횡비(aspect ratio)에 의한 진공중에서 낮은

전계에서 많은 전자전자방출을 유발하며, 이를 이용한 응용으로 면

조명, LCD용 Backlight, 엑스레이 발생원 등의 연구가 활발히 진행

중이다.

탄소나노튜브를 이용한 면광원의 경우 LED나 OLED광원에 비해

태양빛에 더 가까운 천연색을 얻을 수 있고, 광효율이 우수한 친환

경 조명을 구현할 수 있는 장점이 있다.

신소재로 주목받는 탄소나노튜브 복합재료

고분자 복합재료는 고분자 매트릭스와 충전제의 혼합으로 형성된

재료를 의미한다.


31

연료전지에 사용되는 탄소나노튜브의 또 다른 임무는 개질기의 촉

매담체인데, 메탄올을 분해시키기 위한 최적의 촉매인 백금은 촉매

효율은 좋지만 고가여서 연료전지 구성비의 반 정도를 차지하고 있

으므로 백금의 최소사용으로 최 효율을 얻기 위해 필요한 것이 백

금을 나노입자로 만들고 고르게 분산시키는 일이다.

여기서 탄소나노튜브는 나노입자로 만들어진 백금 촉매의 엉킴을

방지하는 고정용 구조물 역할을 하는데, 탄소나노튜브가 만드는 비

정형의 그물구조와 탄소나노튜브 사이의 넓은 공간들은 메탄올의 빠

른 흐름을 유도하고, 백금의 최 촉매효율을 만들어낼 수 있다.


30

>>>그림16 단일벽 탄소나노튜브의 수소흡착 위치들

>>>그림17 직접메탄올연료전지의 작동원리를 나타내는 모식도

>>>그림18 광원별 면조명 비교

e

e

-H+

CH3OH

Chemical Energy Electrical Energy

CO2 H2O

MeOH crossover

anoode cathode

Air

membrane

Membrane

e

Anoode : CH3OH + H2O = CO2 + 6H+ + 6e-

Cathode : 1.5O2 + 6H+ + 6e- = 3H2O

Overall : CH3OH + 1.5O2 = CO2 + 2H2O, E0 = 1.18v

형광등기구

광원의 형태

광원의 수명(안정기 수명)

8,000~15,000hr(10,000~15,000hr)

30,000~50,000hr(10,000~15,000hr)

LED와 동일 수준5,000hr

(10,000~15,000hr)

연색성 80~85 60~80 90~92 85~90

광원의 효율성

장점

단점

- 저가격 &고효율- 형광체 발광으로실내조명에 유리

- Hg환경문제

- Gas 방전방식으로

사용온도범위 제한

- Dimming감성조명 등

고기능화 비용큼

- 점광원의면광원화에

따른효율저하(150%)

- 발열문제로색/수명/

효율저하문제발생

- 낮은연색성

- 향후국제특허분쟁소지

- 저효율

- 단수명

- 전류구동문제

- 면적양산기술

- 향후국제특허분쟁소지

- 장수명- 친환경성- 디자인의다양성으로투시등, 경관조명용으로적합

- 고효율- 친환경성- 실내조명에유리한균제도및고연색성

- 분할구동기능으로감성조명등고기능화용이

- 극히얇은면광원- 투명& Flexible가능- 다양한모양가능- 친환경성- 고연색성가능

70~90 lm/w 60~100 lm/w(면광원시 50%저하)

80~100 lm/w 10~30 lm/w

선광원 점광원 면광원 면광원

LED광원등기구 CNT 광원 OLED 광원

탄소나노튜브를 이용한 박막형 투명 고분자 전극은 아래 표에서 볼

수 있듯이 기존의 산화인듐주석(indium tin oxide: ITO)투명전극을

체할 수 있는 유연한 투명전극으로 주목을 받고 있다.

탄소나노튜브 투명전극의 특징은 매우 적은양의 탄소나노튜브 충전

제를 사용하여 전기적 percolation threshold에 도달할 수 있고 유

리 뿐만아니라 다양한 플라스틱 필름과의 우수한 접착력을 유지할

수 있는 장점이 있다. 뿐만 아니라, 유연한 전극제조가 가능하므로

flexible 디스플레이용 투명전극으로 응용할 수 있는 장점이 있다.

박막형 탄소나노튜브 복합체의 또 다른 형태로 탄소나노튜브 Paste


33

고분자 복합재료는 그 용도에 따라 벌크형 복합재료와 박막형 복합

재료로 구분된다.

충전제중에서 특히 탄소나노튜브는 우수한 전기전도도, 높은 열전

도도 및 기계적강도를 보유하고 있어서 나노복합재료 분야에서 이상

적인 충전제로 기 를 모으고 있으며, 현재 이를 이용한 연구개발

및 사업화가 활발히 진행중이다.

벌크형 복합재료의 예로는 정전기 방전 재료, 전자파 차폐 재료,

기계적 물성을 향상시키기 위한 3차원 보강재료를 들 수 있고, 박막

형 복합재료는 평판 디스플레이, 터치패널, 태양전지 등의 전극기판

으로 사용되는 투명전극과 투명 전자파 차폐막, 투명 정전기방전막,

투명발열체 등의 평면형 복합재료를 의미하며, 그 외 정전기 방전용

방진복등에 사용되는 섬유형 복합소재를 포함하기도 한다.

충전제의 종류로는 사용목적에 따라서 카본블랙, 탄소섬유, 그래

핀, 탄소나노튜브와 각종 세라믹 등이 사용될 수 있다.

탄소나노튜브 투명전극은 아래 그림 에서 볼 수 있듯이 탄소나노튜

브를 용매에 분산하여 ink로 만든 후 이를 기판위에 코팅하여 전극

으로 사용할 수 있는 기술이며, Touch Screen Panel, Flexible

Display, LCD, OLED, Solar Cell등에 사용될 수 있다.


32

>>>그림19 고분자 복합재료의 충전제 >>>그림20 탄소나노튜브 투명전극 제조 원리 및 응용분야

>>>표 5 다양한 투명전극의 특성 비교

CNT Sputtered ITO Nano Metal ICPdispersions ITO dispersions dispersions dispersions

Transparency ○ ○ ◉ ◉ ○

Conductivity ◉ ○ ● ○ ◉

Cost ○ ◉ ○ ● ◉

Color ○ ◉ ● ○ ◉

Printing capability ○ ● ◉ ● ○

Flexibility/durability ○ ● ● ○ ○

Environmental stability ○ ○ ○ ○ ●

○ Excellent / ◉ Good / ● Poor

Particles & Clusters 1-D Elements

Carbon blackSilicaMineral fillersHyper branched polymers

NanotubesNanofibersAluminosilicates

탄소나노튜브 복합재료는 기존 복합재료의 고유특성을 유지하면서

탄소나노튜브자체의 높은 전기 및 열전도성과 우수한 기계적강도 등

을 활용한 정전기 방지, 전자파 차폐, 방열, 고강도 복합체등의 제

품을 구현할 수 있다.

정전기를 없애기 위해서는 발생된 마찰전기를 즉시 방전 시킬 수

있는 전도성소재가 필요하며, 이때 요구되는 전기전도도는 표면저항

값(surface resistivity) 기준으로 전방지(Antistatic) 재료의 경우

는 1010~1012Ω/sq, 정전기방전 재료는 106~1012Ω/sq, 전자파차

폐(EMI shielding) 재료는 101~104Ω/sq의 표면저항값을 요구하

며, 참고적으로 부도체인 일반적인 플라스틱은 1012Ω/sq 이상, 금

속은10-1~10-5Ω/sq의 표면저항 값을 나타낸다.

탄소나노튜브 나노복합체가 비교적 거시적인 단위의 분산을 이루는

기존의 전통적인 복합체와 차별화될 수 있는 근거는 분산상의 크기

가 획기적으로 감소되어 100 nm 이하로 유지되는 초분산성을 달성

하게 되면 5% 미만의 적은 양으로도 비약적인 물성 향상을 달성할

수 있다는 점이다.

또한, 기능성 측면으로 적은 양의 탄소나노튜브의 투입으로도 고전

기전도성, 전자파 차폐, 고열전도도로 인한 고방열성, 고강도, 내열

성 등의 고기능화 및 다기능성의 이점을 보유할 수 있다.

탄소나노튜브 나노복합체는 상 물질의 종류와 조합이 매우 다양

할 뿐 아니라 그 응용분야가 단히 방 하여서 탄소나노튜브의 종

류와 다양한 고분자와의 적절한 조합을 통하여 용도에 부합되는 물

성을 얻기 위해서는 소재간의 계면특성 향상 연구 및 초분산성과 균

질분산 달성을 위한 새로운 공정기술의 개발연구가 필요하다.


35

를 이용한 전계방출소재를 들 수 있으며, 이러한 탄소나노튜브소재

는 기존 텅스텐, 몰리브덴등의 금속팁보다 훨씬 낮은 전계에서 많은

전자를 얻을 수 있는 장점이 있다.

이러한 탄소나노튜브 전계방출소재는 전자가 충돌하는 타겟의 종류

에 따라서 면조명, 전구, X-ray 발생원, 전자현미경등 다양한 응용

이 가능한다.

벌크형 고분자 복합재료에 사용되는 충전제 간의 특성비교를 아래

표에 나타나 있으며, 탄소나노튜브의 경우 높은 비표면적에 의해서

카본블랙이나 탄소섬유에 비해 약 1/10 정도만 사용하여도 유사한

전도도를 구현 할 수 있고, 이로 인해 고분자 매트릭스의 물리적 성

질저하를 최소화 할 수 있는 장점이 있다.

하지만, 탄소나노튜브의 경우 고분자 내에서 균일한 분산기술의 미

확보로 인한 물성의 재현성확보를 위한 연구개발이 더욱 필요하며,

량생산에 의한 가격절감 또한 해결해야 할 과제이다. 탄소나노튜

브 복합재료는 기존의 고분자계 매트릭스와 우수한 물리적 특성을

가진 탄소나노튜브를 혼합한 복합체로서 기존 복합체보다 전기적,

기계적, 열적 특성을 향상시킬 수 있는 신소재로 주목을 받고 있다.


34

>>>그림21 탄소나노튜브 전계방출 원리 및 응용

Gate

Anode

Cathode

BLU, 면조명 전계방출전구

의료용 X-ray검색용 X-ray(공항)

있는 탄소나노튜브와 고분자의 나노복합소재로서, 주요 성능지표는

전자파 차폐율, 면저항, 아이조드충격강도, 굴곡탄성률 등이 있다.

고방열 탄소나노튜브 복합소재는 탄소나노튜브와 고분자매트릭스를

결합한 열방출용 경량 나노복합소재를 의미하며, 전자부품/전자기기

분야에서는 집적도의 증 및 동작의 고속화에 따라 소비전력이 증

하고 이에 수반하여 열량도 증 하고 있으며, 특히, 부품의 소형

화 추세에 따라 발열에 의한 전자소자의 failure 문제에 한 안으

로 중요한 이슈가 되고 있다.


37

나노입자를 이용한 나노복합체 개발 과정에는 반드시 나노분산 및

균질 분산 과정이 필요하며, 특히, 고분자 매트릭스의 경우 높은 점

도와 낮은 확산속도로 인하여 나노 크기의 입자들을 균일하게 분산

시키는 것이 단히 어렵기 때문에 이의 해결을 위한 기술개발이 시

급한 실정이다.

고강도 초경량 탄소나노튜브 복합체는 탄소나노튜브, 유기물, 무기

물을 고분자 또는 금속상에 3차원적으로 분산하여 유기물과 무기물,

금속화합물 사이에 물리적, 화학적 결합을 형성하여 기계적 물성의

향상 효과가 기존 복합소재 보다 큰 기능성 소재이다.

현재 복합재료에서 획득 불가능한 비강도 및 비강성 역의 소재를

탄소나노튜브 기반 나노 복합 소재를 통해 구현함으로서 초경량 구

조용 첨단 소재 개발을 진행중이다.

<그림 22>은 여러소재의 비강도 및 파괴인성을 보여주고 있으며,

탄소나노튜브 나노복합재료의 파괴인성과 비강도가 다른 재료보다

우수함을 보여주고 있다.

전자파차폐용 탄소나노튜브 복합재료는 탄소나노튜브를 나노금속,

나노세라믹 등과 함께 고분자와 복합화 하여 전자파 흡수를 통한 금

속수준의 전자파차폐 효율과 기계적 특성을 가지는 소재를 개발하는

기술로 IT 제품 외장에 적용가능하다.

전자파차폐, 진동 및 충격흡수, 박형화 등 다기능성을 구현할 수


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>>>표 6 충전재 특성 비교

특성 Carbon black Chopped carbonfiber Carbon nanotube

필요 충전량 25~35% 15~20% 2~5%

전도도 조절 양호 좋음 문제의 소지있음

분산의 용이 좋음 좋음 문제의 소지있음

부품성능 보통 양호 폴리머변화에 의존

표면처리 양호 양호 좋음

충전재 가격 $1~$2/1b $4~$5/1b $20/1b

>>>그림22 탄소나노튜브의 비강도 및 파괴인성

탄소나노튜브 복합재료의 성능평가를 위해서 인장시험, 전자파차폐

율, 면저항, 아이조드충격강도, 굴곡탄성률, 열전도도 등을 측정하

며, 아래에 기술한다.

인장시험(ASTM D638)은 일반적으로 단면이 원형 또는 사각형인

평행부를 갖는, 규정된형상과 치수의 시험편을 (표준 소급성을 갖는

시험기를 사용하여) 그 축의 방향으로 파단이 일어날 때까지 서서히

인장하중을 가하며 하중과 변형을 측정하는 시험이다.

인장성은 어떤 재료의 강도를 표시하는 가장 중요한 척도가 되는

데, 본 시험에서는 시편을 늘리는데 필요한 힘과 파괴점에서의 신율

이 결정된다.

탄성율은 가해진 응력(Stress)과 변형도 (Strain)가 응력에 선비례

하는 역에서 가해진 응력이 만드는 변형도에 한 비율이며, 근본

적으로 경도의 척도이며, 어떤 부품을 탄성율이 측정되는 선형 역

에 일치하도록 설계하려고 할 때 단히 유용한 인자가 되며, 고무

와 같은 탄성이 필요한 용도에 해서는 파괴점에서의 신율이 단

이 높으며, 딱딱한 부품의 경우에는 반 로 신율이 단히 낮다.

재료의 신율을 적당하게 유지함으로서 급속한 충격을 받았을 때,

이를 흡수하도록 설계할 수도 있으므로 응력-변형곡선 이하의 면적


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전자부품/전자기기의 방열설계에는 발열체 내부에서 발생한 열을

단시간 내에 기중으로 추출하는 것을 목표로 하며, 발열체로부터

히트싱크까지 및 하우징까지에 걸쳐 그리스, 도료 및 시트 등의 열

계면재료(thermal interface materials)의 열저항개선이 중요하다.

또한, 모터의 제어에 사용되는 인버터의 파워모듈은 종래 세라믹

기판이 사용되었지만 중량과 크기가 크고 또한 생산성도 나쁘므로

고방열 절연재료를 사용한 패키지구조가 연구되고 있다.

해외 선진국들의 경우 고효율의 방열소재 개발을 위한 노력과 더불

어 방열 시스템화 기술연구에 박차를 가하여 효율적인 열관리 체계

를 구축하고 있으며 이를 통해 제품의 신뢰도를 향상시키고 있다.

열을 효과적으로 처리하기 위한 방열장치의 핵심은 고효율 방열소

재에 있으며, 현재 구리, 알루미늄, 텅스텐-구리, 다이아몬드 필름

등이 널리 이용되고 있으나, 소재들의 가공성, 소형화 가능성 등의

물리적 한계 및 기능성부여 등의 기능적 한계로 인하여 새로운 고방

열 소재의 필요성이 두되고 있다.

탄소나노튜브-고분자의 복합재료를 통해 기존 금속소재를 체하

여 에너지를 절감하는 기술개발이 진행중이다.


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>>>그림23 에너지 절감용 고방열 나노 복합소재 개발

>>>그림24 응력-변형률 곡선 모식도

주철 철강, 알루미늄 등 플라스틱 재료

면저항 (ASTM D257)은 물질의 표면에서 측정한 저항값으로 저항

이 낮을수록 전기전도도가 향상 되어 전자파의 반사에 효과적이며

단위는 ohm/sq를 사용한다.

아이조드 충격강도 (ASTM D256)는 물질이 충격에 견디는 정도를

나타내는 척도로 노치를 준 샘플에 추가 충격을 가했을 때 부러질

때 사용된 에너지를 측정하여 구하며 단위는 kgf cm/cm 이다.

아래 그림과 같이 시험편을 Izod 충격시험기에 지지, 함마로 타격

하고, 이에 소요된 에너지와 시험편 절입폭을 이용하여 측정한다.


41

은 충격강도를 측정하는 척도가 될 수 있고, 개의 경우 인장강도

가 단히 높고 신율이 작은 재료는 실제로 깨어지기 쉽다.

전자파 차폐율 (ASTM D4935)은 물질의 전자파 차폐 정도를 정

량적으로 측정하기 위해 전자파 차폐효율 (electromagnetic

interference shielding efficiency, EMI SE)이란 물리량을 도입하

며, 입사 전자파 세기 (PI)와 투과 전자파 세기 (PT)의 비율로 정의되

고 decibel (dB)을 단위로 사용한다.


40

>>>그림25 응력-변형률 곡선 모식도

수지의 성질응력 변형도 곡선의 특성

탄성율 항복응력 인장강도 파괴점의 신율

유연하고 약함(A) 낮음 낮음 낮음 보통

단단하고 깨지기 쉬움(B) 높음 높음 높음 낮음

유연하고 강인함(C) 낮음 낮음 낮음 높음

단단하고 강함(D) 높음 높음 높음 보통

단단하고 강인함(E) 높음 높음 높음 높음

>>>그림26 전자파차폐율 측정 모식도

>>>그림27 아이조드 시험편 개요

Upper

Lower

송신 안테나

실드 챔버

시편

수신 안테나

전세계의 탄소나노튜브복합소재 개발 열풍

굴곡탄성률 (ASTM D790)은 시편을 일정한 거리만큼 떨어져 있는

두개의 지점에 올려 놓고 시편의 파괴가 발생할 때까지 일정한 속도

로 시편이 놓인 수직방향으로 하중을 가해 눌러서 응력과 왜곡을 측

정하는 것으로 시편의 중앙에 상부로부터 힘을 가하는 값을 시편에

생기는 변형으로 나눈 값으로 굴곡 탄성률 이 클수록 강성

(Stiffness) 이 높아지며 낮을수록 유연한(Flexible) 물질이다.

열전도도(k)는 아래 그림에서 보는 바와 열전달률이 물질의 양끝의

온도차(dT)와 단면적(A)가 증가할 수록 증가하고, 길이가 증가할수

록 감소하는 Fourier전도법칙에 의해 구할 수 있다.

현재까지의 열전도도는 열평형법을 이용하여 샘플을 통해서 흐르는

열량은 전, 후가 동일하다는 법칙을 이용해서 재료의 수직열전도도

를 구할 수 있으며, 수평열전도도는 ASTM D 5470 법으로 측정할

수 없다.


42

>>>그림28 사각막 에서의 열전달 및 Fourier 열전도식

를 분산시킨 티타늄 복합재료를 제조하여 보고한 바 있다.

독일 프라운호퍼 연구소의 Carsten Glanz 연구팀에서는 탄소나노

튜브를 구리 혹은 알루미늄 용탕 내에 분산시켜 ingot casting을 시

도하 으며, 일부 열적 안정성을 확보하여 내마모 부품으로 소개한

바 있다.

독일 Bayer MaterialScience사에서는 고부피분율의 탄소나노튜브

를 분산시킨 알루미늄 나노복합재료의 개발을 진행하고 있는 것으로

알려져 있다.

탄소나노튜브를 이용한 금속기지 나노 복합 소재는 주로 독일과 일

본에서 자동차용 내마모 소재 혹은 경량화 소재로 개발되고 있으며,

일부 내용을 제외하고는 공정과 소재에 한 정보가 공개되지 않고

있는 실정이다.

초기 탄소나노튜브의 강화 효과에 한 연구에서 최근에는 고강성

및 고강도를 얻기 위한 고부피분율 분산 연구와 공정 단가를 절감하

기 위한 실형상 주조에 관한 연구로 연구 방향이 전환되고 있으며,

금속 기지로는 경량화를 위한 알루미늄에 관심이 집중되고 있다.

최근 탄소나노튜브 및 나노 첨가제를 고강성 소재 제조에 적용하기

위한 연구와 함께 이의 응용분야를 찾기 위한 광범위한 연구가 미

국, 일본, 유럽의 선진국에서 진행되고 있는데, 그중 범용성과 성형

성이 뛰어난 고분자 수지에 탄소나노튜브를 보강재로 사용한 경량/

고강도/고탄성 구조용 소재 개발이 활발히 이루어지고 있다.

전자제품등에서 방출되는 전자파를 차폐하기 위해서 자성입자가 코

팅된 탄소나노튜브를 적용하는 탄소나노튜브 복합체를 연구중이며,

이를 위해서 고분자에 탄소나노튜브를 분산시킬 때 친환경적인 공정

으로 산처리 없이 탄소나노튜브와 공유 결합이 없는 분산제를 적용

하여 탄소나노튜브의 결함을 최소화하는 처리를 개발중이다.

현재 나노튜브 복합재료를 위한 CNT 분산기술은 각 연구사별로 상

／ 전세계의 탄소나노튜브 복합소재 개발 열풍 ／

45

“탄소나노튜브 복합소재“ 기능성 플라스틱으로부터 광원까지

탄소나노튜브는 기존의 입자 및 섬유형 강화재에 비해 강도, 탄성

계수, 내마모 성능이 우수하며, 동시에 전기전도도, 열전도도, 등의

우수한 물리적 특성과 화학적 안정성으로 인하여 복합재료의 강화재

로 사용되는 경우 기존 재료의 한계를 극복할 수 있을 것으로 기

되어 세계 선진국들은 관련 분야의 원천기술 연구에 집중하고 있다.

2004년 금속기지 내에 탄소나노튜브의 강화효과가 최초로 확인된

이래 일본과 독일을 중심으로 탄소나노튜브/금속 나노 복합 소재에

관한 연구가 진행 중에 있다.

일본 도호쿠 학의 Kawasaki 연구팀에서는 탄소나노튜브와 Al분

말을 볼 링 공정을 통해 혼합하고, spark plasma sintering 공정

및 압출 공정을 통하여 Al 기지 내에서 탄소나노튜브의 강화효과를

확인하 는데, 이 과정에서 탄소나노튜브의 균일한 분산을 위하여

천연 고무 등의 첨가제를 활용하 다.

일본 오사카 학의 Katsuyoshi Kondo 연구팀에서는 탄소나노튜브


44

전세계의탄소나노튜브복합소재개발열풍

일반적으로 고분자내에 첨가된 탄소나노튜브의 분산성이 증가하면

국부적 결정성이 증가하여 역학적 특성의 강화효율은 증가한다.

아래 표에는 기능화처리 전, 후의 탄소나노튜브를 사용하여 다양한

고분자 수지를 사용한 복합체의 인장강도 변화를 정리되어 있는데,

표면기능화된 탄소나노튜브와 고분자의 공유결합은 탄소나노튜브복

합체의 인장강도를 증가시킴을 알 수 있으며, 이는 탄소나노튜브 기

능화에 의한 탄소나노튜브와 고분자 경계면의 표면에너지가 증가되

었고, 고분자내에서 탄소나노튜브의 분산향상에 의한 결과임을 알

수 있다.

CNT를 이용한 방열 기판은 05년 후지츠에서 최초로 반도체에 적

용하기 위해서 개발되었으며, 높은 열전도율을 가진 CNT를 플립 칩

구조의 범프에 적용하는 기술을 개발하여 튜브 하나 당 1,400

W/m.K의 높은 열전도율을 가지는 방열기판을 제조하 다.


47

이한 고유한 방법을 보유하고 있으나 NASA Langley 가 물리화학적

원리에 근거한 체계적인 방법으로 세계 최고수준이다.

CNT 배향기술은 Smalley 그룹의 자기장을 이용한 배향법이 여타

연구자와 기계적 스트레칭에 의한 방법에 비해 비교우위에 있다.

CNT 고분자 계면제어 기술은 이스라엘 Weizmann 연구소의

Wagner, rice 의 Barrera등이 최고기술 보유한다.

CNT 복합체 고차구조화 기술은 Drexel 의 Frank Ko의 CNTC

개념이 표적이고 GIT의 Kumar의 섬유화 및 NASA의 C.Park의

전기 방사법이 최고 수준이다.

복합소재에서 탄소나노튜브의 효과를 확인하기 위해 금속기지 내에

탄소나노튜브의 첨가로 인한 탄소나노튜브/금속나노복합소재에 관한

연구가 일본과 독일을 중심으로 진행 중에 있다.

아래의 표에는 그동안 측정되어온 개개의 탄소나노튜브에서부터 탄

소나노튜브 섬유와 탄소나노튜브로 이루어진 종이(Buckypaper)의

인장강도와 모듈러스(Modulus)를 정리하 다.

개개의 탄소나노튜브의 인장강도와 모듈러스는 가장 높은 값을 보

여주는 반면, 섬유화에 따라서 그 값이 감소됨을 알 수 있다. 이는

사용한 탄소나노튜브의 길이가 길어질수록 그 값들이 증가함을 알

수 있다.


46

>>>표7 다양한 형태의 탄소나노튜브의 인장강도와 모듈러스

DescriptionModulus/tensile

DescriptionModulus/tensile

strength(GPa) strength(GPa)

Individual nanotube 1000/50 Kevlar� 150/3.6

Nanotube fibers from gas 175/4.5 Ultrahigh molecular weight polyethylene 80/3

Nanotube fibers from forest 240/0.41 Poly(p-phenylene benzobisoxazole) 240/5.8

Nanotube fibers from superacids 120/0.12 Buckypaper via filtration 10/0.1

Nanotube fibers from film 18/0.85 Layer-by-layer process to form nanotube film 12.2/0.75

Commercial nanotube film -/1.2 Commercial nanotube fiber -/3

High-modulus carbon fiber 375/- High-strength carbon fiber -/6

>>>표 8 기능화처리 전,후의 탄소나노튜브-복합체의 인장강도

Tensile strength (MPa)

Polymer Nanotube type No tubes P F CNT함량(%)

Epoxy Amine-functionalized DWCNTs 63.8 67.7 69.1 0.5

Epoxy Amine-functionalized MWCNTs 63.8 63.2 63.6 0.3

Epoxy Amine dendrimer-functionalized SWCNTs 90 104 125 0.5

Epoxy Polyacryloyl-functionalized MWCNTs 46 42 49 1

Polypropylene Fluorinated SWCNTs 31 29 45 2.5

MMA-ethyl methacrylate Amine-functionalized MWCNTs 49 53.5 55 1copolymer

PMMA Acid-functionalized MWCNTs 29 41 42 1

Polyamide 6 Acid-functionalized MWCNTs 18.9 18.0 21.6 1

Polyamide 6,6 Amine-functionalized MWCNTs 50 60 75 1

Polyamide 6,10 Acid-functionalized MWCNTs 36 11 54 1

Polyamide 12 Anhydride-coated SWCNTs 37 39 41 3

Poly(1-butene) Polypropylene-grafted MWCNTs 31 26 45 1

CoolPolymers社는 기존의 절연 및 비절연 플라스틱 방열소재의 개

발을 위해 LCP, PA46, PC, PPS등의 다양한 수지를 사용하여 20

W/mK(비절연), 10 W/mK(절연)의 열전도성 플라스틱의 개발을 완

료하 는데, 이는 히트싱크, 히트파이프, 센서, 조명등에 다양하게

사용될 예정이다.

DSM Emgineering Plastic社는 PA46기반의 열전도도 20W/mK

의 비절연형 열전도성 플라스틱을 개발하 고, 필립스 LED와 합작

으로 열전도송 프라스틱 LED램프를 출시하 다.

현재까지 많은 기업이나 연구소, 학에서 고분자의 열전도도를 높

이기 위하여, 열전도도가 높은 탄소나노튜브, Graphene 등을 첨가

하는 업체들이 수도 없이 많았지만 실제 플라스틱의 열전도도는 크


49

전자 산업이 발전함에 따라 작은 소자와 얇아지는 제품에 해서

기존의 방열 시스템을 체하는 문제가 두되고 있는데, CNT가 가

장 유력한 방열 장치로 활용될 가능성이 높아 여러 분야에서 연구가

진행 중이며 실제 일부 전자 제품에 활용되고 있다.

현재는 기존 알루미늄과 같은 방열판 구조에 탄소나노튜브를 이용

한 코팅을 통해 향상된 방열 시스템을 구현하고 있으며, 탄소나노튜

브와 혼합 카본을 이용한 열전도성 방열 시트도 연구되고 있으며

PCB, 트랜지스터와 같은 회로에서 도전막을 탄소나노튜브로 체함

으로서 도전성과 방열성을 동시에 추구하는 연구도 진행되고 있다.

핀란드의 Universiy of Oulu와 미국의 Rensselaer polytechnic

insititute의 연구원은 반도체 트랜지스터에 방열 구조를 실현하 는

데, 이 기술은 다중벽 탄소나노튜브 어레이의 마이크로핀 구조를 실

리콘 칩의 뒷면에 장착하여 열을 아주 효율적으로 제어할 수 있었으

며, 강도가 높고 유연성이 있으며 경량이므로 추후 소형화에 유리할

것으로 기 된다.


48

>>>그림29 후지츠에서 개발한 CNT를 이용한 반도체용 방열기판

>>>그림30 CoolPolymers社의 열전도성 플라스틱

>>>그림31 DSM社의 열전도성 플라스틱

탄소나노튜브-탄소나노튜브 경계저항은 탄소나노튜브-고분자의 경

계저항보다 훨씬 중요한데, 예로서, 한방향으로 정렬된 탄소나노튜

브필름의 열전도도는 225 W/mK을 얻었지만, 정렬되지 않은 필름

의 경우 그 값이 30~100 W/mK으로 저하되었고, 3차원 정육면체

형태로 제조시에는 0.13-0.2 W/mK으로 낮은 열전도도를 나타내

는 것으로 알려져 있다.


51

게 올라가지 않아 크게 주목받지는 못하고 있다.

탄소나노튜브-고분자 복합체의 열전도도를 향상시키기 위해서는

탄소나노튜브와 고분자간의 경계저항이 중요하며 이는 아래에서 볼

수 있듯이 온도에 따른 열전도도가 고체에서 액체로 변할 때 탄소

나노튜브와 고분자의 경계에서 부조합(mismatch)이 발생하므로 급

격히 감소하는 것을 알 수 있다.

수직성장한 탄소나노튜브 숲(carbon nanotube forest)에 epoxy수

지를 주입, 경화 후 플라즈마식각을 이용하여 탄소나노튜브 팁을 노

출시킨 후 탄소나노튜브 팁을 각각 인듐과 금으로 코팅하여 250

W/mK의 우수한열전도도를 얻은 결과가 보고되었는데, 탄소나노튜

브팁에 금속코팅이 되지 않은 경우 열전도도가 급격히 감소(1

W/mK정도)하는 것으로 부터 탄소나노튜브팁과 연결매체와의 접촉

이 탄소나노튜브 복합체의 열전도도 향상에 중요한 인자임을 알 수

있다.


50

>>>그림32 탄소나노튜브-polystyrene복합체의 온도에 따른 열전도도 변화

>>>그림33 W/mK 열전도도를 구현한 탄소나노튜브-고분자 복합체 모식도

>>>그림34 단일벽탄소나노튜브 필름에서의 열전도도, 300 K

vertically grownnanotube

Gold

Indium

Graphite facesheet

Epoxy

0.6

0.4

0.2

0.00 50

Temperature (°C)

100 150

Th

erm

al C

on

du

ctiv

ity

(W/m

-K)

Polystyrene

5% NT

10% NT

30% NT

유하는 탄소나노튜브 투명전극을 개발하 다.

또한, Eikos社I의 Invisicon�는 코팅 두께 100 nm 이하를 유지

할 경우 300 Ω/□의 저항을 나타내고, roll-to-roll 코팅 방법을

통해 5 X 20 인치의 PET web을 시연하기도 하 으며, 일반적인

방법으로 패터닝이 가능하다는 장점 등을 내세워 LCD, OLED, 터

치스크린, 플렉서블 디스플레이 등 부분의 분야에 적용할 수 있음

을 보여준다.


53

고분자내에서 탄소나노튜브의 분산성 향상은 열전도도를 증가시키

는데, 산과 염기 등을 이용한 관능기가 부착된 탄소나노튜브를 이용

한 복합체의 경우 기능화되지 않은 탄소나노튜브를 이용한 복합체보

다 고분자내에서 탄소나노튜브 분산성 향상에 의해 열전도도가 증가

됨이 보고된 바 있고, 분산재를 사용하여 고분자내에 탄소나노튜브

의 분산성을 향상시킨경우에도 고분자 복합체의 열전도도가 증가하

는 것을 알 수 있었다. 하지만, 탄소나노튜브의 분산성이 향상되었

음에도 불구하고 열전도도는 1 W/mK을 넘지 못했다.

탄소나노튜브 길이는 탄소나노튜브 복합체의 열전도도 변화에 큰

향을 미칠것으로 예상되며, 아래에 탄소나노튜브 길이가 증가할수

록 열전도도의 증가에 한 예상을 보여준다.

미국 Eikos社는 박막형 복합소재인 탄소나노튜브 투명전극을 개발

하여 구부림에도 ITO투명전극과 동일한 200 ohm/sq의 표면저항과

가시광선 역(400~700nm)에서 90%이상의 균일한 투과도를 보


52

>>>그림35 단일벽 탄소나노튜브 필름에서의 열전도도, 300 K

>>>그림36 탄소나노튜브와 ITO투명전극의 구부림각에 한 표면저항 비교

CNT film

Vu1(미)에서는 탄소나노튜브의 우수한 전계방출특성을 이용하여

전구를 제조하 고, 이는 기존 필라멘트전구의 에너지 저전환효율의

단점을 보완하여 향후 필라멘트 전구시장을 체할 수 있을것으로

보인다.

특히, 형광등과 LED광원의 연색성이 70~85 Ra인데 반해, 탄소

나노튜브를 이용하는 전구의 경우 90 Ra이상으로 태양빛에 더 가까

운 파장을 방출하는 장점을 보유한다.


55

Dupont 사에서는 폴리아닐린과 CNT를 혼합, 분산하여 7㎛ 갭을

갖는 500 ㎛ 전극라인을 프린트하여 OTFT의 소스드레인 전극으로

사용한 내용을 발표하 다.

일본에서는 Mitsubishi Rayon이 가장 활발하게 CNT 투명전도성

박막 개발 활동을 전개하고 있는데, SWCNT를 기판 위에 코팅한 뒤

투명도와 저항과의 관계를 규명하 다.

Unidym은 CNT/폴리카보네이트 master batch를 시판하 던 CNI

와 합병한 후 CNT 투명 전도성 박막을 출시하 고, 이는 기존의

ITO를 체할 뿐만 아니라 CNT 박막을 적용할 수 있는 모든 분야

에 응용이 가능하다고 발표하 다.


54

>>>그림37 Eikos의 CNT-binder 이중 구조 박막에 한 기술 로드맵

자료 : Flexible Display & Microelectronics)

>>>그림38 Vu1社에서 개발한 탄소나노튜브 전구

자료 : http://www.vu1corporation.com

>>>표 9 해외 주요국의 기술개발 현황

기술명 개발 단계 개발 내용 개발주체

InvisionTM 투명전극필름Eikos (미)

투과율 90%, 면저항 200Ω/□

CNT 상용화 기판 위 성장시킨 MWCNT를 이용 나노테크투명전극 초기 폭 3.4cm, 길이 1m의 박막 sheet 제조 연구소 (미)

터치스크린용 CNT 투명 전도성 박막 출시 Unidym (미)

SWNT를 기판 위에 코팅 한 뒤 투명도와 저항의 Misubishi관계를 규명 Rayon (일)

CNT-Pilot

폴리아닐린과 CNT를 혼합 7 μm 갭을 갖는 500 μm 전극 Dupont (미)고분자 박막 라인을 프린트하여 OTFT의 소스 드레인 전극으로 사용

CNT 기술검토

DNA를 Wrapping한 CNT를 한층씩 적층하여 투명전도성 큐슈 학 (일)박막 응용 박막 제작

선진기술과 어깨를 같이하는 국내 탄소나노튜브 복합기술

탄소나노튜브 소재는 나노소재 중 유일하게 산업화 도입기에 있으

며, 국내에서는 한화나노텍, 금호석유화학, 제일모직, (주)CNT, 카

본나노텍, 제이오 등에서 탄소나노튜브 소재를 개발/판매하고 있으

며, 최근 양산체제를 구축하기 위한 움직임이 활발히 전개되고 있으

나, 응용제품과의 적절한 조화가 아직 이루어지지 않아 시장성장이

활발하지 않는 상황이다.

탄소나노튜브의 전기전도성을 활용하여 전자파 차폐 및 전방지

성능을 지닌 탄소나노튜브/고분자 복합소재가 효성, 제일모직, LG

화학 등에서 개발되었으며, ATM기, 반도체 트레이, 자동차 전장부

품 등에 적용되고 있다.

국내의 기업체 중에서 제일모직, LG 화학 등 기업과 다수의 중

소기업에서도 고분자에 탄소나노튜브를 분산시켜 전 및 정전방지

에 적합한 금속 체소재를 개발하여 현재 IT 기기 내외장 및 반도

체 공정용 부품소재에 적용하고 있다.

코오롱은 플렉시블 디스플레이와 태양전지용 전극소재, 스마트 윈

도, 전자태그(RFID)용 전극소재 등에 광범위하게 적용하기기 위해

탄소나노튜브 복합체의 개발을 진행중이며, 상업화의 최 난제 던

균일 분산 기술을 획기적으로 개선하 는데, 이러한 탄소나노튜브


57

Tech Nanotech社( 만)는 고품질의 CNT 합성 기술, CNT 페이스

트 및 잉크 제조, CNT-TCF, CNT-FED 그리고 CNT 기반 X-ray

에미터 제조에 관한 뛰어난 기술을 보유하고 있는 XinNano

Materials사와 전략적 제휴를 맺고 있으며 현재 CNT 페이스트를 이

용하여 투과형 전계방출표시기를 제작 판매 중이다.

일본의 Noritake사는 VFD 분야에서 선두하고 있는 업체로서 금속

foil에 CNT 에미터를 thermal CVD법을 증착하여 삼극관 CNT-

FED 제작함으로서 2005년에 40인치 CNT-BLU를 구현하 고,

CNT를 이용한 VFD형 CNT 광원을 개발하 으며 color pixel 8

mm, 표시면적은 57.6 mm x 460.8 mm이며 LED 비 낮은 소

비전력을 장점으로 기존 LED 광고판 및 BLU와 조명을 타깃으로 판

매할 계획이다. (Sashiro Uemura et al., Techinical Digest of

IVNC2009, 2009)


56

>>>그림39 Tech Nanotech社에서 개발한 탄소나노튜브 표시기

자료 : TECO Nanotech사, http://wwwe.teconano.com.tw

>>>그림40 Noritake社의 CNT 광원

glass platePhosphor layeraluminum film

1.8mm

rib

electric-potential-control-electrode

insulator rib

gate electrode

carbon nanotubes

ribglass plate

1.8mm

Fig. 3:S

CNT-F

2008년 성균관팀에서 (주)엠엔에스社와 공동으로 탄소나노튜브/

알루미늄 나노복합소재의 주조 기술을 개발한 것으로 발표하 다.

2010년 Applied Carbon Nano社에서 탄소나노튜브가 강화된 알

루미늄 ingot을 ingot casting 공정으로 제조하 다.

탄소나노튜브가 강화된 금속 나노복합재료는 국내에서 세계최초로

강화효과가 증명되었으며, 이후 활발한 연구를 통하여 분말 야금 공

정을 이용한 나노복합소재의 개발 연구가 진행되어 왔으며, 최근

casting 공정을 통한 알루미늄 기지 나노복합재료 개발에 관심이 집

중되어 있다.

ACN에서는 금속기지내에 탄소나노튜브의 분산성을 향상시킴으로

서 다양한 금속(Al. Cu, W 등)과 탄소나노튜브의 복합체를 형성하

는데, 이는 고강도 고인성 경량 구조용, 내마모 경량구조용, 열

및 전기전도용 소재로 사용할 예정이다.


59

균일 분산 기술을 응용해 컬러 레이저 프린터용 중간전사 벨트를

개발하기도 하 다.

(주)바이오니아는 전자파 차폐효율을 높이기 위한 연구로서 탄소나

노튜브/금속 하이브리드 개념을 도입하여 탄소나노튜브에 금속을 코

팅 후 접촉저항을 감소시키는 기술과 금속이외의 세라믹 자성체와

탄소나노튜브의 복합체를 이용한 전자파 차폐효율을 향상시키는 기

술을 개발중에 있다.

자동차 부품에 적용하여 공정비용절감을 위해서 전도성 프라이머

처리 없이 정전도장이 가능한 탄소나노튜브/고분자 복합체 소재의

개발을 진행중이다.

고강도 탄소나노튜브 복합체의 개발을 위해 2004년 한국과학기술

원팀에서는 분말야금 공정을 활용한‘분자수준 혼합 공정’을 이용하

으며, 이로부터 탄소나노튜브가 금속 기지 내에서 강화효과가 있

음을 처음으로 증명하 으며, load transfer에 의한 강화효과임을

주장한바 있으며, 2006년 한국과학기술원팀에서 동일 공정을 이용

한‘분자수준 혼합 공정’을 개선하 고 이로부터 탄소나노튜브의 강

화효과가 결정립계 미세화 강화효과와는 독립적으로 강화효과 있음

을 증명하 다.


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>>>그림41 탄소나노튜브/금속 하이브리드

>>>그림42 알루미늄-탄소나노튜브 복합체

Clad Laminate)기판을 개발하여 판매중이나 시장점유율은 미미한

상황이다.

또한, 국내기업은 열전도성 소재를 이용한 열전도성 플라스틱 5W

급 열전도 복합 수지를 개발하 으나 낮은 열전도율로 시장적용에

어려운 실정이어서, 열전도성 수지 및 고열전도성 elastomer 개발이

미비한 상황이다.

고열전도성 접착제 소재의 경우, 패키지용 접착필름 개발 및 시판

은 거의 전무한 상태이며, 일부 업체에서 1 W/m.K급 수준의 제품

개발을 진행하고 있는 수준이다.

최근 LED 조명의 체율이 증가하면서 LED 패키지에 사용되는 접

착필름에 한 수요가 증 되고 있으며, 일부업체들에서 열전도도

1~2 W/m.K 수준의 접착제 개발이 진행 중이나 아직 상품화되지

는 않았다.

국내에서는 시장 잠재력이 큰 열전도성 재료인 질화알루미늄 및 탄

소섬유에 고분자 수지를 주입한 복합재료 개발 기술이 극히 드물게

이루어지고 있어 기술개발이 시급하다.


61

또한, PC, Nylon, PET, PE등의 고분자와 탄소나노튜브(약 20

wt%)를 복합화 하여 전기전도도 뿐만 아니라 열전도도를 증진할 수

있는 기술을 개발하여 정전기 및 전자파 차폐재등으로 응용분야를

넓히고 있다. 나노복합소재를 구성하는 나노물질과 금속기지 나노복

합소재 제조 기술에 한 연구가 국내 일부 기업을 중심으로 활발

히 진행중에 있으며, 구체적인 부품/제품으로 시장화하기 위한 연구

도 진행중에 있다.

국내에서 탄소나노튜브와 같은 나노소재를 이용한 자동차용 경량화

부품개발에 의한 에너지 절감을 실현하기위해 노력중이지만, 구체적

인 부품/제품으로 시장화하기 위한 연구가 부족한 상태이며, 선진국

연구능력을 추격하기 위한 기술 축격이 주로 이루어지고 있다.

현재까지 고방열 회로 기판 소재를 개발하기 위해서 방열시스템에

한 관심과 회로기판 연구는 활발하나, 핵심 소재인 고방열 및 절

연성을 동시에 만족하는 기술 부족으로 부분 수입에 의존하고 있

으며, 국내의 일부기업에서는 2 W/m.K 회로기판용 CCL (Copper


60

>>>그림43 알루미늄-탄소나노튜브 복합체의 기계적 특성

>>>그림44 알루미늄-탄소나노튜브 복합체의 기계적 특성

국내에서 투명전극의 경우 CNT합성과 응용에 한 기초연구는

학을 중심으로 진행되어 왔으며, CNT 투명전도성 박막에 한 연구

개발은 기업, 연구소, 벤처기업 등에서 활발히 진행되어 왔으며,

특히, 디피아이솔루션스 및 탑나노시스 등 일부 벤처기업을 중심으

로 CNT와 전도성고분자 복합체 또는 CNT 응용한 터치패널용 투명

박막 시제품을 발표한 바 있다.

한국전기연구원은 탄소나노튜브와 용매, 결합제(바인더), 안정제,

균일제등을 이용하여 일액형 코팅액을 만들고 이것을 비닐이나 플라

스틱 등에 페인트 칠하듯 코팅해 투명한 박막에 전기를 흐르게 하는

기술을 개발하여 상보에 기술이전을 완료하 다.

또한, 상보는 양산라인을 2013년 3월 착공, 이르면 9월 이후 시

생산에 들어갈 예정이며, 12월 생산라인을 월 130만셀 규모로 추

가 증설할 예정이다.


63

켐웰텍과 폴리뱅크는 공동으로 나노금속화합물 제조기술과 에멀전

화기술(서로 잘 섞이지 않는 물질의 혼합 및 결합 등을 촉진하는 기

술)을 활용하여 특수 열흡수 및 방사도료를 개발하 는데, 이는 열이

발생하는 재료 표면에 뿌리거나 칠해주면 열을 빠르게 흡수, 원적외

선 형태로 방출하면서 표면온도를 낮추는 형태로 알루미늄판 및 라

디에이터에 쿨마스터를 바른 뒤 냉각효과를 자체적으로 실험한 결과

선풍기 형태의 냉각팬이나 열분산구조물(Heat sink)이 없더라도 섭

씨 150℃ 미만에서는 20%, 150℃ 이상에서는 30% 가량 표면온

도가 떨어지는 효과가 있다고 주장하 다.

티티엠은 탄소나노튜브(CNT)를 적용해 기존 냉각제보다 열전도율

이 10% 이상 향상된 유체를 독자 개발하 으며, 이를 이용한 두께

1.6mm의 마이크로히트파이프를 출시하 으며, 이는 LCD, PDP등

평판디스플레이 제품의 냉각 장치로 적합하며 섭씨 80도까지 올라

가는 온도를 50도까지 낮출 수 있을 만큼 냉각능력이 뛰어나며, 특

히 기존 디스플레이 냉각장치보다 가격이 30%이상 저렴해 가격경쟁

력이 있는 것으로 알려져있다.

아래 표는 국내의 열전도성 소재의 개발 현황을 보여주고 있다.


62

>>>그림45 켐웰텍, 폴리뱅크의 열흡수∙방사 도료의 사용 범위

>>>표 10 열전도성 소재의 국내개발현황

구분 기술분류 개발내용 개발주체

- 팽창흑연과 탄소나노튜브 혼합카본을 이용한

기업기술 방열시트고열전도성 카본시트

(주)나노텍- 카본소재가 함침된 매트릭스 수지에 섬유보강재를함침시킨 방열 시트

원천기술방열 - 탄소나노튜브를 이용하여 열전도성 금속물질간 계면 서울 학교

접합소재 접합구조 산학협력

기업기술LED - 기판하측에 홈을 형성하고 이를 탄소나노튜브 물질로

(주)삼성전기방열소재 충전하여 방열구조를 갖춘 LED 패키지제조

기업기술방열 - 오가노폴리실록산 검에 열전도성이 우수한 충전제 및

(주)상진미크론복합소재 유기 과산화물 경화제를 포함한 실리콘 고무 조성물

기업기술LED - 탄소나노튜브로 이루어진 기판을 이용하여 발광 (주)서울

방열소재 다이오드 제조 반도체

원천기술방열

- 층상 나노 구조에 기반한 인터커넥터 및 방열기술스몰텍에이비

나노구조제 (스웨덴)

국내의 나노퍼시픽은 CNT 페이스트를 이용해 bipolar lateral

gate 구조의 삼극관 14, 17인치 전계방출 면광원을 제작하 고,

이는 기존 lateral gate 구조와 차별화되는 bipolar 구조를 사용하여

CNT 에미터의 면적을 두 배로 증가시킴으로서 수명, 효율 및 발광

균일도를 획기적으로 향상시켰으며, 현재 80~90 lm/W의 높은 에

너지 효율을 달성하 다. (나노퍼시픽, 2010)


65

탑나노시스는 PET필름위에 탄소나노튜브 코팅기술을 개발하여 전

기전도도, 투명도, 기계적 안정성 및 기판과의 접착안정이 우수하

고, 열팽창에 따른 변형이 적은 탄소나노튜브 투명전극을 개발하

고, 이는 기존의 ITO전극의 단점을 보완 할 수 있는 우수한 물성을

나타내며, 현재의 평판 디스플레이 뿐만아니라 플렉서블 디스플레이

에 적용가능할 것으로 예상된다.

고려 는 탄소 표면에 존재하는 카르복실 그룹과 아민계 coupling

agent와 반응하여 형성되는 염이 전하 운반자로서 작용하기 때문에

고분자 복합재료의 전기전도도 및 percolation threshold가 획기적

으로 향상되는 것을 보 다.


64

>>>그림46 한국전기연구원의 일액형 코팅액 및 투명전극

>>>그림47 탑나노시스의 투명전극 구조 및 특성

>>>그림48 나노퍼시픽의 탄소나노튜브를 이용한 면광원

adhesionlayer

flexible polymer film(100~200㎛)

Carbon nanotube(CNT)film(10~200 nm)

시장 활성화가 전망되는탄소나노튜브 복합소재

현재 전 세계적으로 탄소나노튜브의 생산능력은 연간 최소 2,000

톤 이상인 것으로 파악되며, 표적인 MWCNT 제조업체는 Bayer

(독), Nanocyl(벨), Arkema(프), Showa Denko(중) 등이며, 현재

가장 활발하게 진행중인 상용화분야는 고기능성 복합소재 제조이다.

고기능성 복합소재는 RTP(미), Hyperion(미), Kuraray(일),

Toray(일) 등의 업체에서 개발 중이며, 일부는 판매를 개시하 다.

벌크형 복합소재는 차량용 플라스틱 내/외장재, fuel line/tank,

quick connects, O-ring, pump modules 등이 차량용 연료시스템

등의 자동차산업에서 현재 일부 제품화가 되고 있다.

전방지용 투명필름 및 저항막 방식의 투명전극의 상용화가 진행

되고 있으며, 향후 ITO 필름의 체를 위한 시장진입을 목표로 하고

있다.

Bayer(독)는 200톤/년 규모의 생산설비 구축하여 고기능성 복합

소재, 리튬 2차전지, 알루미늄과 복합화를 통한 초초경량, 고안정

／ 시장 활성화가 전망되는 탄소나노튜브 복합소재 ／

69

탄소나노튜브 상업화 성공을 위해서는 가격인하가 핵심

탄소나노튜브의 시장가격은 $100~120/kg을 유지하고 있으며,

아래 그림의 각 응용분야에 따른 요구가격의 한계인 $50/kg 수준을

기점으로 ESD/EMI용 복합소재, 2차전지, 나노복합섬유 분야 등에

서 시장이 활성화될 것으로 전망된다.


68

시장활성화가전망되는탄소나노튜브복합소재

>>>그림49 CNT 생산규모 및 품질에 따른 요구가격

>>>표 11 CNT 생산업체 및 응용제품

구분 업체명 합성 방식 응용제품

한화나노텍 고정층 Compound

제일모직 유동층 Compound

한국 LG화학 유동층 Compound

금호 석유화학 고정층 Compound

효성 유동층 Compound

독일 Bayer 유동층 Compound

벨기에 Nanocyl 고정층 Compound Master batch

미국 Hyperion Catalyst 고정층 Compound Master batch

프랑스 Arkema 유동층 Master batch

Showa Denko 유동층 Composite Composite rubber

Toray - 전도성 투명필름

일본 GSI Creos 유동층 Prepreg 등

Mitsubishi - 연료전지, 복합재료

NCT - Compound Master batch

한 MWCNT의 량합성도 병행하고 있다.

탑나노시스(한)는 PET 및 PC를 기반으로 한 85~86% 투과도,

600ohm/sq. 면저항의 투명전극을 개발하 으며 기존 ITO 전극과

비교하여 성능의 우수성을 확인한 바 있으며, 이의 양산체계를 갖추

고 탄소나노튜브 필름을 이용한 스피커의 판매를 진행하고 있으며

평판 디스플레이, 터치패널, 디지털페이퍼, 정전기 방지제, 전자파

차폐제, 면상발열체 등의 응용도 기 하고 있다.

KH Chemical(한)은 SWCNT 순도 80%이상 고순도 SWCNT의 연

간 생산량 1톤 능력을 보유하고 있으며, 고분산용 SWCNT 제조 및

분산액 출시하고 있으며, 코팅 관련하여 일본 업체와 전략적으로 제

휴하고 있다.

전기전도용에서 전자소재용 복합소재로 응용시장 확장

탄소나노튜브의 응용시장분야로는 벌크형 복합소재, 박막형 복합소

재, 에너지 분야 및 전기전자분야 등으로 구분되고 있다.

아래 표에 각 탄소나노튜브 응용분야에 따른 사업화 현황을 나타내

고 있으며, 이중 전방지용 전기전도성 플라스틱, 전자파 차폐용

플라스틱, 경량 고강도 플라스틱등에 사용될 수 있는 벌크형 복합소

재의 시장이 가장 크게 형성되어 있음을 알 수 있다.


71

성, 고전도도 특성을 구현하고 있다.

Nanocyl(벨)는 정렬성이 향상된 탄소나노튜브를 개발/판매하고 있

으며, 고분자 수지내 분산성이 향상된 탄소나노튜브 및 마스터배치

를 제조하여 판매하고 있다.

Arkema(프)는 연간 400톤 수준으로 CNT 소재의 양산규모를 보

유하고 있으며, 최 45% 함유된 고성능 마스터배치 및 컴파운드

제품을 개발하 고, ESD, adhesive, yarn, 보강재 적용목적으로

개발이 진행 중이다.

BYK(독)는 2차전지 및 코팅기반 복합소재 제품적용을 목적으로 고

농도 CNT 분산액을 개발하고 있으며, 수계 및 비수계 용매기반의

코팅제품을 출시한 바 있다.

Future Carbon(독)의“Carbo e-Therm”제품은 탄소나노소재를

기반으로 하는 난방코팅용으로, 위험성이 없는 저저압에서 구동이

가능한 코팅액으로 실제 차량에 적용한 시제품을 전시한 바 있다.

Xinray Systems(미)는 Xinnano社에서 개발한 Few-walled

CNTs를 이용한 X-ray source를 개발하 으며, 상용화를 위한 개

발을 진행 중에 있다.

국내의 한화나노텍과 한화케미칼은 SWCNT 및 MWCNT의 량합

성기술을 개발하고, 이를 이용한 고전도성 도료 및 고분자 복합소재

를 개발하여 제품을 출시하 다.

효성(한)은 유동층 반응기를 이용한 MWCNT의 량합성기술을 개

발중이며, ATM 기기 적용을 위한 전방지 플라스틱 및 방열복합소

재를 개발하고 있다.

LG화학(한)은 자동차등에 응용을 목적으로 경량 고강도 복합소재의

개발을 진행하고 있다.

제일모직(한)은 ESD/EMI용 고전도성 복합소재 개발을 수년간 진

행하고 있으며, MWCNT의 내재화를 목표로 유동층 반응기를 이용


70

>>>표 12 탄소나노튜브의 응용분야별 사업화 현황

응용분야세계시장 국내 주요업체

규모* (억) 매출(억) 해외 국내

벌크형 복합소재 30,000 350 GSI Creos/Hodogaya/ LG화학/제일모직/효성GE Plastic /나노미래/신일화학 등

박막형 복합소재 2,700 70 Unidyme/Eikos 한화케미컬/상보/탑나노시스

방열소재 7,000 45 엑사이엔시

CNT소재 2,400 35 Nanocyl 한화나노텍

계 39,700 465

* 세계시장규모는 기존소재의 체 가능 장재시장 포함

LED 사용되는 탄소나노튜브 방열소재

탄소나노튜브 복합소재 시장은 LED 산업, 자동차산업, IC 및 통신

가전사업과 함께 동반성장할것으로 예상되며, 따라서 각각의 시장동

향을 주시할 필요가 있다.

2011년 Fuji Chimera Research Institute LED관련 시장조사보

고서에 따르면 열가소성압출패키지 소재의 세계시장은 2020년

9,282억원에 달할것으로 예상하고 있다.


73

탄소나노튜브 복합소재는 국내외 기업들의 전자소자의 전방지 및

정전기분산용 플라스틱의 시장진입을 시작으로 휴 폰케이스와 자동

차전자제어케이스등에서 요구되는 전자파차폐 및 방열특성을 보유한

플라스틱과 자동차, 선박, 비행기등에 사용되는 경량 고강도 플라스

틱의 시장진입이 시작되고 있다.

또한, 박막형 복합소재인 전도성투명전극은 국외는 Eikos社를 중심

으로 시장진입이 시작되고 있으며, 국내는 삼성제일모직, 탐나노시

스, 상보 등을 중심으로 시장진입이 시작되고 있다.

탄소나노튜브를 이용한 전도성 투명전극은 OLED와 태양전지등에

이용될 예정이며 2015년 세계시장규모 약 5억달러에서 2020년

약 33억달러로 성장이 예상된다.

탄소나노튜브 복합체시장은 2013년 약 3,800톤, 2020년에는

약 9,500톤의 생산이 예상됨다. 이 복합체 시장의 응용분야로는

현재에는 전방지, 정전기분산 등의 전기전도성 복합체 시장이 가

장 활성화 되어 있으며 리튬이온전지의 첨가재로의 사용이 향후 증

가할 계획이며, 콘크리트의 강화용 및 방열용으로 탄소나노튜브 복

합소재가 시장을 형성할 것으로 예상된다.


72

>>>그림50 전도성 투명전극의 세계시장 동향(단위: 10억달러)

(단위: 톤)>>>그림51 탄소나노튜브 복합소재 시장

출처 : Frost & Sullivan Research, Nanopots, BCC Reseach, Fuji Chimera Research Institute

(단위: 천억원)>>>그림52 열가소성 압출패키지 소재의 세계시장

자동차용 LED Heat Sink

LED 가로등 및 방열체LED Down Light

아래 표는 국내 LED업종과 참여기업의 비율을 나타낸다.

국내 LED 조명산업은 세계시장의 약 2~3%에 불과하며, 필립스,

오스람, LE가 시장의 40% 이상을 점유하고 있다.

국내 LED 조명 시장은 정부의 저탄소 녹색 성장 핵심 산업으로서

공공 부분 주도의 수요 창출을 시작으로 산업 성장이 본격화되어

2015년에는 시장 규모가 약 15조 7,000억 원, 세계 시장 점유율

이 약 15.3%에 이를 것으로 전망되고 있다.


75

세계 LED 시장은 고성장을 기록하고 있으며, 니치아 화학, 오스

람, 스탠리, 애질런드, 루미네즈, 에버라이트, 도요타고세이 등 일

본과 미국, 유럽의 업체들이 주도하고 있으며, 니치아를 중심으로

도요타고세이, 크리, 오스람, 필릅스, 루미네즈 등 선진업체들이 전

세계 백색 LED 가격의 주도권을 주도해 왔으며, 2006년부터 한

국, 만 등 신흥기업들이 등장해 세계적으로 35% 이상 시장점유율

을 보이면서 가격형성에 큰 향을 미치고 있다.

2008년 조명 세계 시장은 1천억 달러 규모이었으며, 백열등과 형

광등이 부분을 차지하여 세계 조명 기구에 의한 소비 전력은 2조

1,000억 kWh로 연간 17억 톤의 CO2를 배출하는 것으로 보고되었다.

2015년까지 국내 조명의 약 30%를 LED 조명으로 교체할 경우,

매년 약 160억 kWh의 전력 절감과 약 680만 톤의 CO2 저감이

기 되며, 이는 100만 kW급 원자력 발전소 2 기의 전력 생산량에

해당한다.

미국 광산업협회에 따르면 LED 조명 산업은 2015년 463억 달러

규모로 연평균 45% 고성장하여 2015년 28% 비중으로 확 될 것

으로 전망하고 있다.


74

>>>표 13 세계 주요 업체의 LED 시장 점유 현황

(2007) 일본 만 미국 독일 한국 기타

점유율 38.8% 21.0% 18.1% 10.1% 8.3% 4.3%

니치아 에피스타 크리 오스람 서울반도체 중국기업

(20.7%) (7.7%) (8.6%) (10%) (3.3%)

주요업체 시티즌 에버라이트 루미레즈 삼성전기

(6.1%) (4.5%) (5.5%) (1.2%)

스탠리 아바고 LG이노텍

(5.9%) (4.0%) (1.2%)

>>>표 14 국내 LED 산업 업체 현황

업 종 참여업체 수 구성비(%)

LED 조명 283 61.9

BLU 40 8.8

패키지 35 7.7

전광판 30 6.6

부품소재 26 5.7

장비 20 4.4

칩 13 2.8

LED 조명 디자인 10 2.2

합 계 457 100

>>>표 15 국내 LED 응용 기기 시장

구 분 2008년 2010년 2012년 2015년 2018년

휴 폰 모듈 14,000 11,000 8,000 4,000 3,100

LED BLU 모듈 1,000 1,500 9,000 40,000 75,000

자동차 모듈 160 600 3,000 7,000 10,000

LED Display 1,115 2,100 3,357 5,000 6,400

의료 - 100 600 1,500 2,400

농수산업 - 50 500 1,800 3,300

정보가전/통신 - 50 400 3,000 5,400

UV살균소독 탈취 20 100 1,400 7,000 9,500

합 계 16,295 15,500 26,257 69,300 115,100

(단위: 억원)

에너지 절감을 위한 자동차부품용 탄소나노튜브 복합소재

탄소나노튜브 복합체의 자동차 부품의 적용가능 분야로는 플라스틱

Fender, 연료필터 하우징, 엔진커버, ECU 하우징등이 예상된다.

세계자동차 시장은 2015년 8,600만 에서 2020년 9,400만

로 증가할 예정이며, 국내시장의 경우 475만 (2015년)에서 519

만 (2020년)로 증가할 예정이다.

높은 방열특성 및 전자파 차폐특성을 보유한 탄소나노튜브 복합체

는 자동차 전자제어부품 (ECU)에 채용가능하다.

특히, 온실가스 배출량 감축 유가상승 및 환경규제 강화 등에 효과

적으로 응하기 위한 친환경 자동차에 관심이 집중되고 있으며

2000년 중반부터 미국, 일본 등에서 전기자동차를 중심으로 하는

시장이 본격적으로 형성되기 시작하 다.

／시장활성화가전망되는탄소나노튜브복합소재 ／

77

전자파 차폐를 향한 탄소나노튜브 복합소재

세계 전자파 차폐시장은 2012년 약 51억 달러에서2018년 약

60억 달러로 연평균 복합성장률(CAGR) 2.9%로 성장할 전망이다.

전도성 복합소재 시장은 기계부품, 자동차 부품, 통신기기 부품,

의료기기 부품, 전기전자 부품의 증가로 인하여 다양한 제품군에 적

용 되고 있으며, 적용분야도 확 되어 가고 있다.

세계 전자파 차폐시장은 전도층, 금속 캐비닛, 전도성 플라스틱,

라미테이트/테이프/호일 등으로 분류 할 수 있고, 이중 전도층 방식

의 세계시장 규모는 2013년 약 7억 7,600만 달러로 예상되며,

2018년약 21억 달러로 증가할 예정이다.


76

>>>표 16 내 LED 조명 기기 시장

구분 제품명 2008 2010 2012 2015 2018

할로겐전구 체 200 700 1,800 5,017 8,970

옥내 백열전구 체 330 1,250 3,000 7,024 11,297

형광등 체 100 500 2,000 8,028 14,111

옥외조명 500 1,100 1,700 2,651 3,464

옥내외다운라이트 33 138 252 454 3,703

태스크라이트 61 92 168 303 666

LED간판 490 787 1,379 2,405 4,440

옥외 LED가로등 209 1,040 2,538 10,603 19,911

합 계 1,923 5,607 12,837 36,485 66,562

(단위: 억원)

>>>그림53 EMI/RFI 차폐 세계시장 동향

자료 : BCC Research

>>>그림54 탄소나노튜브 복합체 자동차 적용가능 분야

>>>표 17 국내외 자동차 시장 전망

항목 단위 2009 2012 2015 2018 2020

세계자동차시장 만 6,000 8,000 8,600 9,100 9,400

국내자동차시장 만 331 442 475 503 519

자료 : 한국자동차 산업연구소

플라스틱 Fender 연료필터 하우징 엔진 커버

하이브리드차는 2015년까지 전기동력 차량의 주류를 형성할 것으

로 전망 (일본, 일간자동차신간), 시장규모는 10조 4천억엔으로 전

체 시장의 85.6%에 이를 것으로 전망된다.

후지경제 연구소는 하이브리드카 및 전기 자동차를 포함한 전기동

력차량의 2015년 출하 수가 1111만 금액 12조 1465억엔으

로 2008년 비 수는 2매 금액으로는 6배에 달할 것으로 전망된다.

미국의 EV생산 업체 테슬라는 앞으로 20년 안에 생산되는 신차의

부분이 전기동력을 채택할 것으로 예상하 고, 미국의 ESC 계획

과 같이 국내에서도 현재의 고급차량에 한정되어 있는 멀티 기능성

은 차츰 일반 차량에도 탑재될 것으로 예상된다.

국내 자동차 1 당 평균 25개의 ECU가 장착되며,제네시스경우

70여 개, 쌍용 체어맨W의 경우 평균 39개 장착되어 고급차로 갈수

록 시장이 확 된다.

탄소나노튜브 보강재를 기반으로 하는 고분자 복합소재의 신규시장

창출 규모는 기술선진국에서도 상용화 단계에 이르지 못한 상태로

전체적인 시장규모에 한 정보가 체계적으로 수립되어 있지 않아서

정확하게 예측하기 어려움. 그러나 전세계적으로 전기전자산업의 급

성장과 나노기술을 접목한 고도 기술이 요구됨에 따라 이에 맞는 특

성을 갖는 신소재의 개발은 새로운 수요와 부가가치 창출 등에 의해

예측하기 어려운 규모의 신규 시장을 창출할 것으로 예상된다.

／시장활성화가전망되는탄소나노튜브복합소재 ／

79

전세계 CO2 발생량의 약 20% 정도를 차지하는 수송용 에너지원

을 화석연료로부터 전기에너지로 전환시킴으로서 기환경을 개선함

과 동시에 차량의 운행효율도 향상시킬 수 있는 전기자동차 시장이

2010년 이후 급격히 확 되고 있다.

완성차업체를 비롯한 관련업계는 기존 내연기관 자동차에서 고효율

친환경차로의 패러다임 변화에 발맞추어 기술개발에 전력하고 있으

며 이는 향후 세계 자동차시장 전체의 판도 변화에도 향을 미칠

것으로 전망된다.

전기자동차 시장의 초기시장을 선점하고 경쟁력을 확보하기 위해

미국, 일본 등 선진국은 핵심부품 및 시스템 개발을 중점적으로 지

원하고 있으며, 2015년 이후 강화된 규제에 처하고 시장에서 경

쟁력을 유지하기 연간 500만 이상의 시장규모가 예상되는 전기자

동차분야에 세계 각국에서 활발한 투자 및 기술개발이 진행 되고 있

으며 이는 점차 확 될 것으로 전망된다.

친환경 자동차 산업은 환경규제를 비롯한 선진국의 각종규제 정책

에 힘입어 성장해왔으며 향후 전기자동차를 비롯한 친환경 선진기술

이 새로운 형태의 무역규제를 위한 장벽으로 활용될 수 있을 것으로

보이다.

향후 변화하는 세계 자동차시장에서 경쟁력을 유지하기 위한 필수적

인 분야가 전기자동차 산업이며 특히 관련 부품 및 시스템의 기술력

확보가 성패를 좌우할 수 있는 산업이며, 특히 세계자동차 시장에서

경쟁력을 유지하기 위한 필수적인 분야가 그린카 산업이며, 관련부품

및 시스템의 기술력 확보가 성패를 좌우할 수 있는 산업이다.

베인 앤 컴퍼니의 전기자동차 시장 보고서를 통해 앞으로 수 년내

에 전세계 시장 전기자동차 판매가 150만 에 달할 것으로 예상하

고 있으며, 맥켄지 컨설팅에서는 전기자동차에 의한 전장부품의

시장이 급속히 증가할 것으로 전망하고 있다.


78

>>>표 17 국내 자동차용 전자제어부품 ECU 하우징 시장 규모

구분 2010 2011 2012 2013 2014 CAGR

ACU-H 4,219 5,965 7,689 10,380 14,013 35

국내MDPS-H 21,095 23,415 25,991 28,850 32,024 11

BMS-H 12,657 14,049 15,595 17,310 19,214 11

기타-H 8,438 10,969 15,357 23,036 35,705 44

계 46,409 54,398 64,632 79,576 100,956

자료 : 한국자동차 공업협회, 자동차 공업협회, 후지키메라총연 (자동차 1 당 장착 하우징)

(단위: 백만원)


81

에너지 절감과 인간 친화적인 탄소나노튜브 광원

조명 전문리서치기관인 미국 Freedonia의 World Lighting

Market Report 2008 및 Strategies Unlimited 2009에 따르면

‘09년 현재 세계 조명시장 규모는 약 1,119억불 수준이며, ’15년

에는 약 1,450억불로 연간 4.2% 비율의 향후 시장 성장을 전망하

고 있다.

북미 및 서유럽은 세계 시장의 52%를 점유하고 있고, 중국은 세계

시장의 12.1% 점유, 연평균 8% 의 급성장 추세이며, 한국은 세

계시장의 약 2.1% 점유, 연평균 약 5%의 성장을 보이고 있다.

중국기업이 값싼 노동력을 바탕으로 급부상하고 있어 기존 조명산

업의 Big 3社인 GE Lighting, Osram, Philips와 함께 새로운 조

명의 허브로 발전할 것으로 예상된다.

국내의 CNT 광원(전계방출형 유사 광원 포함)은 2018년까지 세

계적으로 약 1조 6,000억 규모의 시장을 형성할 것이며, 국내에서

는 2018년 약 1,700억원 규모의 시장을 형성함으로서 전세계 시

장의 10.6%를 차지할 것으로 예상된다.


80

>>>그림55 세계 조명시장의 연도별 성장 전망 및 지역별 시장규모

자료 : Research by Freedonia Inc., 단위: 10억 달러)

>>>그림56 세계 주요 조명기업의 시장 점유율 현황

으로 응용분야가 확장될 전망이며, 이 부분에서도 탄소나노튜브의

분산성향상이제품의성능과가격을결정하는중요인자가될전망이다.

전자파 차폐를 목적으로 하는 탄소나노튜브 복합소재는 탄소나노튜

브와 금속, 금속산화물, 자성금속과의 융합화에 한 연구가 진행될

전망이며, 상용화를 목적으로 가격경쟁력 확보를 위한 탄소섬유등과

의 추가융합화도 진행될 전망이다.

열전도성 탄소나노튜브 복합소재의 개발은 탄소나노튜브/탄소섬유/

그라핀 또는 고열전도도를 보유한 세라믹필러들이 융합되어 있는

Multi-scale type의 Hybrid필러개발이 중요할 뿐 아니라, 개발된

Hybrid필러의 투입, 혼합방식과 사출조건을 최적화하여 열전도성

필러의 분산성을 향상시킬 수 있는 공정개발이 필요하다.

고연색성과 높은 에너지 변환효율을 보유한 탄소나노튜브 광원은

낮은 에너지 효율을 보유한 백열전구의 사용규제가 강화되는 유럽과

미국의 가정 및 사무실의 실내조명을 체할 전망이며, 다양한 디자

인이 요구되는 호텔, 레스토랑등 상업용 인테리어 조명시장과 특히

고연색성을 요구하는 상품전지용 조명등에서 제품 경쟁력을 보유할

수 있을 것으로 예상된다.

탄소나노튜브 투명전도성 박막은 기존의 ITO 전극을 체하는

평판 디스플레이용 투명전극뿐 아니라 휘어지는 특성을 이용한 차세

플렉서블 디스플레이의 투명전극으로서 적용가능할것으로 보이

며, 전자정보 산업, 에너지, 그리고 스마트 윈도우 등으로 널리

사용되어 터치패널에서 시작하여 OLED, LCD와 유연한 디스플레이

에 채용될 것으로 예상된다.

／ 맺음말 ／

83

다중벽 탄소나노튜브 소재의 경우 다양한 복합소재의 첨가재로 사

용되기 위해서는 현재 상용화의 장애요인인 $100/kg 수준의 가격

을 2년 이내에 $50/kg 수준으로 낮추어야 하며, 이를 해결하기 위

한 공정기술개발이 선행될 전망이다.

고분자, 금속, 세라믹 소재의 고유특성을 유지하면서 탄소나노튜브

의 특성을 최 한 구현하기 위해서는 탄소나노튜브를 최 한 저함량

으로 투입하는 기술개발이 중요하다.

또한, 압출과 사출 시 탄소나노튜브 투입 및 분산공정에 따른 탄소

나노튜브 손상을 최소화하는 성능향상 기술개발이 예상된다.

벌크형 복합소재의 경우, 기존의 단순 전방지 기능에서 경량화

/EMI/방열 등으로 응용범위가 커질것으로 예상되며, 단순 탄소나노

튜브 복합재의 형성보다는 탄소나노튜브와 탄소섬유, 그래핀, 다양한

금속, 세라믹 등의 하이브리드를 통한 기본적인 기계적강도를 만족하

면서 전기적, 열적성능향상을 위한 기술개발이 중요해질 전망이다.

자동차경량화에 따른 기존 알루미늄 소재를 체할 수 있는 탄소나

노튜브 복합재 시장이 크게 활성화 될 것으로 예상되며, 이를 위해

서 다양한 고분자 매트릭스에 분산이 가능하도록 탄소나노튜브의 맞

춤형기능화 기술 및 공유결합/비공유결합을 이용한 분산성 향상 기

술과 탄소나노튜브와 고분자의 접착력 평가방법에 한 연구가 병행

되어야한다.

전도성 탄소나노튜브 벌크형 복합소재의 경우, 반도체 Tray,

Wafer Carrier, ATM의 현금운송로와 같은 전기/전자 부품 및 포장

재의 전방지소재에서 자동차의 Fender, Side Mirror Housing등


82

맺음말


84

01 S. Iijima and T. Ichihashi, Nature, 363, 603 (1993).

02 D. S. Bethune, C. H. Klang, M. S. de Vries, G. Gorman, R. Savoy, J. Vazquez, and R. Beyers, Nature, 363, 605 (1993).

03 A. Thess, R. Lee, P. Nikolaev, H. Dai, P. Petit, J. Robert, C. Xu, Y. H. Lee, S. G. Kim, A. G. Rinzler, D. T. Colbert, G. E.Scuseria, D. Tomanek, J. E. Fischer, and R. E. Smalley, Science, 273, 483 (1996).

04 산업자원부, 탄소나노튜브 슈퍼배터리의 제작 및 특성연구 (2005).

05 소 섭, 강인필, 김경호, 최붕기, 함헌, 탄소나노튜브의 응용과 발전 전망, 공업화학전망 12, 28 (2009).

06 류승철, 석중현, 한종훈, 탄소나노튜브 합성개발동향, 공업화학전망 12, 1 (2009).

07 T. W. Ebbesen, P. M. Ajayan, H. Hiura and K. Tanigaki, Nature 367, 519 (1994).

08 X. Y. Zhu, S. M. Lee, Y. H. Lee and T. Frauenheim, Phys. Rev. Lett. 85, 2757 (2000).

09 J. Hilding, E. A. Grulke, Z. G. Zhang, and F. Lockwood, J. Dispersion Sci. Tech., 24, 1 (2003).

10 이 희, Sae Mulli, 51, 84 (2005).

11 http://www.eikos.com

12 http://www.topnanosys.com

참고문헌

‘

키스티(정인수) 내지0618 f -...

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