탄소나노튜브 개괄 (Carbon Nano Tube, CNT)

[윤성원]

 

탄소나노섬유의 구조에 따른 분류

  Straight, Spiral, helical, branched

탄소나노섬유의 응용분야

  탄소나노섬유는 직경이 100nm수준인 탄소나노소재로 넓은 비표면적, 높은 전기전도성, 높은 기계적 강도 등의 특징을 보이는 탄소동소체임. 수소저장매체, 촉매담지, 전자파차폐, 정전기 방지용 전도성 코팅재, 필터, 선택적 흡착제, 축전기의 분극성 전극재 및 고성능 2차전지의 분극재 등 다양한 분야에 적용이 가능함.

응용예 1)  복합재

300m²/g 의 비표면적, 300 aspect ratio

) 개요

  복합재는 인공적으로 만들어진 둘 또는 그 이상의 다른 재료가 적절히 혼합되어, 다상(multipahse)으로 구성된 재료이다. 각각의 상은 화학적으로 차이가 있어야 하며 계면에 의해 구분되어져야 한다. 복합재는 광범위한 응용범위를 가지고 있는데 각각의 응용 목적에 따라 성질, 특성 등을 고려하여 혼합되어지는 소재가 선택되어진다. 복합재의 충전재로 사용하기 위해서는 기지재와의 접촉면적이 넓어야 하고 높은 aspect ratio를 가져야 하며 유연성이 있어야 한다. 탄소나노섬유는 이런 조건을 지니고 있어 금속, 고분자, 세라믹 등의 복합재의 충전재로 매우 적합하다. 특히 유연성이 있고 기계적 특성이 우수하고 가볍기 때문에 나노복합재를 제조하는데 필요한 모든 조건을 갖추고 있다.복합재의 구분은 다음과 같다.

2) 특성

  GNF는 각각의 종류(Type)에 따라 그 특성이 다양하고 구조가 다르다. 따라서 모체(Matrix)와의 결합이 우수하고, 원하는 성질을 효과적으로 나타낼 수 있기 때문에, 복합재의 응용 목적과 방법에 따라 폭넓게 적용이 가능하다. 또한 탄화물(예 : 흑연, 카본블랙 등)이 사용되었던 복합재에 적용하여, 기존 제품의 성능을 개선, 발전시킬 수 있다.

3) 적용 가능 분야

(1) 정전기 방전 (ESD : Electro-Static Discharge)

GNF는 직경이 100nm 수준이며 비표면적이 넓고 전도성 및 기계적 특성이 우수하여 우수한 정전기 방지특성을 가질 수 있다. 정전기는 실제 우리 생활에 잘 알려져 있지 못하나 반도체 등 전기에 민감한 제품에 큰 해가 될 수 있다. 따라서 제품의 품질관리, 안전, 품질보증, 보관, 운반 등의 모든 분야에서 그 대책이 절실히 요구되어지고 있다. 정전기는 접촉, 유도 등의 다양한 방법에 의해 한쪽의 물체는 전자를 잃고 다른 쪽은 이를 쌓아 각각 -, +로 대전되어 발생한다. 이러한 정전기를 방지하는 방법으로는 접지, 가습, 대전방지제 코팅, 함유 또는 대전방지용품의 사용 등을 들 수 있다.

대전방지를 위해 첨가 되는 재료는 저항이 낮고, 축적된 전하를 쉽게 이동시킬 수 있는 높은 전기전도성을 가지고 있어야하며, 다른 재료와 혼합이 쉬고, 결합력이 우수하여야 한다.

IC shipping tray, Carrier tape, 정전기 방지 타일, 신발, 의복, 매트, 장갑, Conductive (or Static Dissipative ) Part Box, Shielding Bag, Foam, Feild Service Kit, Film 등에 적용가능하다.

인체 대전 방지 제품	전도성 바닥 매트

(2) 전자파 차폐 (EMI Shielding)

  GNF는 흑연화도가 뛰어나 높은 전기전도성을 지니며 외관상 표면적이 300m2/g으로 우수한 EMI차폐재료의 특성을 보인다. 전자 기기들의 사용 증가에 따라 불필요한 전자파의 발생으로 인하여 민감한 통신이나 전자 장비들을 방해하고 손상시킬 수 있는 전자파 장해 문제가 심각해지고 있다. 이러한 전자파 장해는 전파 잡음을 차폐시키는 하우징의 설치에 의해 억제 될 수 있다.

  전자파 차폐 물질은 전기적 도체이어야 하고 높은 표면적을 갖는 것이 유리하다. 이에 전자파 차폐용 충전제는 전기전도성이 우수해야 하고 비표면적이 큰 것이 바람직하다. 높은 비표면적을 요구하는 이유는 높은 주파수의 전파가 전도체의 표면에서만 상호 작용하는 현상인 표면 효과(Skin Effect)에 기인한다. 따라서 고분자 매트릭스에 미세한 크기의 도전성 충전제를 함유한 복합재가 전자파 차폐에 적합하며, 충전제의 미세함이 조립한 도체보다 훨씬 큰 도체의 표면적을 조성한다.

  GNF중 Spiral type이나 Helical type이 뛰어난 전자파 차폐 효과를 나타낸다고 보고된 바 있다. 컴퓨터, 핸드폰, 전자레인지, 의료기기 등 모든 전자기기 케이스, 군사용 비행기 헤드(레이더 포착 방지), 전자파 차폐용 도료, 벽지, 커튼, 바닥재, 의복, 전기요, 주요 장비가 있는 연구소 차폐, 자동차 차폐, 변전실 차폐 등에 적용가능하다.

EMI Shielding Gasket	EMI Shielding Tape
EMI Shielding Windows

(3) 방열판 (Heat Sink)

집에서 쓰이는 가전제품, 컴퓨터뿐만 아니라 우주에서 쓰이는 우주선, 위성까지 전기장비는 자체적으로 열을 발생시킨다. 그러나 이 열을 효과적으로 배출시키지 못한다면 기기 내부의 저항이 증가하고 심한 경우 기기에 심각한 결함을 초래할 수 있다. 특히, 우주는 열을 전달할 수 있는 대기가 없기 때문에 위성과 같은 우주 장비에서의 방열은 매우 중요하다.

방열판에 쓰이는 재료의 조건은 우수한 열전도도(Thermal Conductivity)와 넓은 비표면적을 가지고 있어야 한다. 방열판 자체의 크기도 발열에 대한 변수로 작용하지만, 작은 크기로 제작되더라도, 내부에서 발생한 열을 외부의 대기나 액체로 효과적으로 전달하여 기기 내부의 열적 부하를 빠르게 감소시켜야 한다.

GNF는 기존에 쓰이던 금속 방열판 첨가제보다 열전도도가 우수할 뿐만 아니라 가벼워, 우주 장비의 방열판 첨가제로 관심을 끌고 있다.

방열판 제품

응용예 2) 2차전지

1) 개요

  리튬2차전지의 음극재로 탄소재료를 쓰는 경우 탄소층 사이로 리튬이온이 전기화학적으로 흡착되어 충전,방전이 일어난다. GNF는 높은 흑연화도로 인해 사이클의 안정성이 우수하며 리튬이온의 확산이 균일해져 전지 내부의 전압,전류 분포의 편재를 줄일 수 있다. 또한 섬유상의 장축을 따라 리튬이온이 확산하여 고효율의 충방전성을 나타내며 자동차, 노트북, 핸드폰 등 소형 이동용 배터리에 적용가능하다.

  환경친화성이 큰 새로운 대체에너지의 개발과 기존에너지의 효율의 극대화는 앞으로 다가올 화석연료의 고갈에 대비하고 휴대용 정보 통신기 및 전자제품의 생명이 되는 소형 2차전지에 관련된 기술을 선도하기 위해서는 그에 관련된 신물질의 개발이 필수적으로 선행되어야 한다. 선진공업국의 경우 반도체관련 산업이 그 나라의 번영의 초석이 되고 있으며 반도체 기술이 그 나라의 기반 기술이 되고 있다. 그러나 종래의 반도체 기술과 2차전지 관련 기술로는 현재 시대적으로 요구되고 있는 대용량, 초고속, 및 초경량 컴퓨터의 제작이 원리적으로 불가능하므로 새로운 개념과 기술을 창출요구 된다.

  2차전지는 니켈카드뮴전지, 니켈수소전지, 리튬이온전지, 리튬폴리머전지 등이 있으며 리튬을 이용한 2차전지는 반도체, LCD와 더불어 정보기술산업의 핵심기술로서 충전시 리튬이온이 분리막을 통해 양극과 음극사이를 이동하면서 외부도선에 전류가 흐르게 된다. 또한 종이처럼 얇고 충방전이 가능하고 휠 수도 있어 활용범위가 다양한 차세대 전지라 할 수 있다.

2) 특성 및 적용분야

  2차전지는 음극재료나 양극재료에 따라 고유특성에 의해 전위와 에너지 밀도가 결정된다.

  리튬 2차전지는 음극 재료가 탄소재료인 경우는 리튬이온이라 하며 탄소층 사이로 리튬이온이 전기화학적으로 흡장되는 경우가 충전, 반대로 방출되면 방전이 된다. 이러한 흡장/방출이 원리상으로는 간단한 반응 형태이지만, 실제로는 탄소 재료의 구조와 전해액 조성 등에 따라 전지의 충방전 거동이나 사이클 특성이 크게 영향을 받는다. 특히 고율 충방전 특성은 일차적으로 탄소재의 미세구조, 미세구조의 배향 및 형상, 전기화학적 특성에 영향을 받으며, 이차적으로는 극판제조시의 활물질 혼합, 기공 분포, 극판 두께, 구성 성분 등에도 상당한 영향을 받는 것으로 알려져 있다.

음극에 사용되는 탄소 재료는 거의 흑연화된 층상 결정 구조 (graphene structure; 탄소의 6각형 벌집 모양 평면이 층상으로 배열된 구조)를 갖는 경우와 이런 구조들이 비결정성 부분들과 혼합되어 있는 구조로 크게 나눌 수 있다. 보통 전자를 이흑연화 탄소 (soft carbon), 후자를 난흑연화 탄소 (hard carbon)라 부르고 있다. 또한 천연흑연과 같이 층상 결정 구조가 완전히 이루어진 경우를 흑연 (graphite)라 하여 따로 취급하는 경우도 있다. 그리고 탄소재료의 입자 형상면에서 보면, 지금까지 구형 탄소 입자인 MCMB (mesocarbon microbead), 섬유상 입자인 MPCF (mesophase pitch-based carbon fiber), 편린상의 불규칙 입자인 니들 코크스 등과 같은 흑연계가 주로 사용되고 있다. 섬유상과 편린상 흑연은 비교적 우수한 사이클 안정성을 나타내는 반면, 편린상 흑연은 재료 자체의 비등방성으로 인해 제조된 극판 내부로의 리튬이온 확산이 불균일하게 되기 쉬워 전지 내부의 전압 및 전류 분포가 편재화될 우려가 있다. 그래서 재료의 이방도가 낮은 구형 흑연이 전압 및 전류 분포의 균일성 유지에 유리하다. 한편 섬유상 흑연에서는 리튬이온이 섬유상의 장축을 따라 확산될 수 있기 때문에 고율 충방전성이 우수하다는 장점이 있다. 현재 흑연 및 이흑연계 탄소재료에 대한 기술적 연구는 리튬이온이 저장될 수 있는 사이트의 수를 늘려서 고용량화를 도모하는 연구와 초기 수 사이클 이내에 일어나는 전해액 분해반응과 비가역적 리튬이온 흡장반응을 되도록 억제시켜 실제 사용 가능한 용량을 개선하려는 연구가 가장 많이 진행되고 있다. 이러한 재료의 성능적 측면에서 탄소 나노섬유 소재를 이용한 음극전극제조기술을 확보할 경우 경제성과 우수한 성능의 구현이 예상된다. 탄소나노섬유는 nano 크기의 직경을 가지며 흑연이 층상으로 쌓인 내부구조를 가지고 있다. 특히 성장 조건에 따라 흑연층의 edge부를 돌출시킬 수 있으며 리튬 이온의 흑연층간 입출입이 가능하여, 2차 전지에서 요구되는 Hi-rate Capacity, Good cycle durability, Hi C/D efficiency의 특성을 나타낼 수  있다. 이러한 전극과 활물질 등 소재의 개선을 통한 전지의 성능향상은 2차전지 수요확대와 아울러 고성능과 저렴한 가격으로, 소형전지 뿐만 아니라, EV용 재료로 널리 사용될 수 있다.

응용예 3) 촉매담체

1) 개요

  현재 탄소담체로는 주로 활성탄이 사용되고 있는데, 이것은 기계적 강도가 낮고 (plugging현상 유발), 제조과정 중 불순물의 함입 등의 단점이 있다. GNF는 나노크기로 극소화된 촉매입자를 포함할 수 있어 촉매효율을 극대화할 수 있다.

  화학반응에서 반응물질 이외의 것으로, 그것 자체는 반응 전후에 있어서 양적 질적으로 변하지 않으면서 반응속도만을 변화시키는 물질이 있는데 이러한 작용을 촉매작용이라고 한다.

  이러한 촉매 및 촉매작용에 관한 연구는 촉매의 기능, 촉매 물질의 물리적 성질 및 화학적 구조를 연구하는 촉매화학의 분야로 발전하였다. 이러한 촉매화학의 발전과 함께 촉매가 효과적으로 균일한 분산을 이루기 위한 담체의 개발도 급진전되고 있다. 특히, 불균일계 촉매는 제조공정 중의 열처리온도나 반응온도에 의해 불안정하기 쉬워 담체에 분산시켜 사용하는 것이 일반적이다. 현재 사용 중인 대표적인 담체는 실리카, 알루미나 등의 비표면적이 큰 다공성 산화물이 주류를 이루고 있다. 그러나 실리카는 약 700°C에서 붕괴되며, 알루미나는 실리카 보다 고온에서 안정하나 g-알루미나에서 비표면적이 낮은(약 2 m2/g)  α-알루미나로 재결정화, 금속과의 반응하여 활성이 낮은 알루미네이트를 형성하기 쉽기 때문에 비교적 고온 조건인 기상반응 촉매 담체로는 사용이 제한적인 단점이 있어 이를 개선하기 위하여 나노기술을 도입한 담체의 개발이 활발히 진행되고 있다.

2) 특성

  탄소는 열적 안정성, 약한 금속 반응성 등의 장점이 있으나 산화제에 취약한 단점이 있다. 현재 탄소담체는 주로 활성탄이 사용되고 있으나 낮은 기계적 강도, 불순물 함입 등의 문제점을 가지고 있다. 최근에는 이러한 단점들을 보완할 수 있는 나노 개념을 도입한 담체의 개발이 이루어 지고 있는데, 이를 대표하는 탄소소재 중 GNF가 유망한 소재로 보고되고 있다. GNF는 일반적인 비표면적이 약 300 m2/g으로 표면 개질을 통하여 활성화가 가능하다. 따라서 하나의 촉매 입자 내에 많은 활성 성분을 포함시킬 수 있어 효율을 극대화할 수 있고 벌크 상태에서는 관찰되지 않는 새로운 특성이 발현되는 것으로 알려져 있다. 이러한 촉매의 역할을 극대화하기 위해 촉매의 활성을 나타내는 성분의 크기를 나노크기 (10-9 미터) 수준으로 극소화한 것이 나노촉매인데, 나노크기로 극소화하면 하나의 촉매 입자 내에 많은 활성성분을 포함시킬 수 있어 효율을 극대화할 수 있다.

  나노촉매의 개념은 두 가지로 나눌 수 있는데, 촉매 입자의 크기가 나노크기로 만들어지는 일반적인 나노촉매와 나노크기의 동공을 갖고 있는 담체 내에 촉매성분을 나노크기로 분포시키는 신개념의 나노구조 촉매로 나눌 수 있다. 나노 입자의 촉매는 기존의 촉매에 비하여 보다 개선된 촉매 성능과 안정성을 보임으로써 효과적인 나노 입자의 촉매 제조를 통하여 고성능, 고효율, 고 안정성의 활성을 나타내 기존의 벌크 촉매를 대체하리라 예상된다.

GNF표면에 담지된 particle

응용예 4) 해수담수화

1) 개요

  21세기의 3대 재앙중의 하나가 물부족이다. 3차대전의 발단이 물을 확보하려는 경쟁에서 시작될 거라는 의견도 나오고 있다. UN의 워싱턴 소재 국제 인구행동 연구소(PAI)의 발표에 따르면 물기근 국가로는 쿠웨이트를 비롯한 20개 국가이며 물부족 국가로는 한국을 포함한 10개 국가이며 앞으로 물부족현상은 급속히 증가할 것으로 예상된다. 이러한 물부족을 극복할 수 있는 가장 바람직한 선택은 지구의 3/4를 차지하고 있는 바닷물을 정제하여 사용하는 것이다. 현재 바닷물을 정제하는 방법으로는 증발법, 전기투석법, 이온교환법, 역삼투압법 등이 있다. 이 중에서 가장 많이 적용되고 있는 방법은 증발법이나 이 방법은 많은 에너지(석유, 전기)가 소요되기 때문에 에너지가 풍부한 몇몇 국가에서만 적용이 가능하다. 따라서 전세계적으로 낮은 에너지로 바닷물을 정제할 수 있는 방법이 전기투석법인 셈이다. 전기투석법은 맴브레인이나 탄소소재에 바인더와 기타 물질을 혼합하여 전극판을 만들고 이 전극판 사이에 바닷물을 흘리면서 양쪽 전극에 양극과 음극의 전원을 걸어주면 이온 상태로 존재하는 염분이 전극판에 흡착되게 하여 염분을 제거하는 원리다. 이 방법이 적은 에너지로 많은 양의 해수를 담수화할 수 있는 방법으로 제안되면서 많은 연구와 실제 적용이 이루어지고 있다.

2) 특징 및 적용분야

  현재 전기투석법에 사용되고 있는 재료는 맴브레인이다. 맴브레인은 사용전 화학적 처리를 해야 하며 소비전력이 높고 재활용이 불가능하다. GNF는 화학적 처리가 필요없고 소비전력도 낮으며 여러번 사용 후 전극판에 염분이 부착되면 씻어서 재사용이 가능하기 때문에 재활용이 가능하다. 또한 GNF는 비표면적이 넓고 전기전도성이 우수하여 염분의 제거능력이 기타 물질에 비해 매우 우수하다. 따라서 해수담수화 전극, 폐수로부터의 중금속 이온제거 전극, 가정용 정수기의 부유물질, 염소, 중금속(수은, 납, 6가 크롬)등의 제거 등에 적용가능하다.

1) 개요

응용예 5) 커패시터

1) 개론

  최근 전자기술 및 전자기기의 발달로 제품의 소형화 및 다양화 그리고 그 기능이 다양해지고 있다. 그러나 이러한 기기들의 순간정전이나 오작동이 발생했을 경우 입력한 데이터를 보호할 수 있는 memory back-up용 전원이 필요하다. 이러한 전원으로는 2차전지, 알루미늄 전해캐패시터 그리고 전기이중층커패시터 등이 있다. 2차전지나 알루미늄 전해캐패시터는 수명이 한정되어 자주 교환, 장시간 충전, 충전기구 필요하거나 방전 용량이 적다는 단점이 있다. 이에 비해 전기이중층캐패시터는 충전시간이 짧고 충방전 특성의 우수, 사용 온도범위가 넓고, 저전압 고전력이므로 memory back-up용 전원으로 매우 적합하다. 현재 전기이중층캐패시터 전극재로 활성탄소섬유가 사용되고 있으나 GNF가 우수한 비표면적과 전기전도도를 가지는 특성으로 인해 차세대 소재로서 주목을 받고 있다.

2) 특성 및 적용분야

  탄소나노섬유는 높은 비표면적과 전기전도도를 가지고 있으며 활성탄소섬유와 마찬가지로 활성화하여 세공들을 조성하면 비표면적을 더욱 높일 수 있기 때문에 활성탄 전극재의 대체소재로써 그 가능성이 매우 높다. 따라서 전기이중층캐패시터는 컴퓨터, 캠코더, 카메라, 시계, VTR, 휴대 전화, 메모리 카드 등과 같은 전자기기의 순간정전에 따른 back-up용 메모리 전원으로 가능하다

(EDLC: Electic Double Layer Capacitor)

응용예 6) 수소저장

1) 개요

  지구의 에너지가 점점 고갈되어 감에 따라 인류는 새로운 에너지를 찾기 위해 많은 노력을 하고 있다. 인류가 찾고 있는 에너지는 석유를 대체할 뿐만 아니라 환경오염이 전혀 없는 에너지이며 여기에 가장 근접한 것이 태양에너지와 수소이다. 여기서 수소는 수소를 저장하였다가 흘려보내면서 전지에너지를 얻는 것이다. 인류가 개발한 대표적인 수소저장 물질로는 금속합금(란탄-니켈 계 합금)과 탄소소재이다. 수소저장합금은 1960년대 개발되어 많은 연구가 이루어졌으나 그 수소저장능력이 적고 또한 합금자체의 무게가 너무 무거워 현재는 그 사용 가능성이 희박하다는 결론에 도달하고 있다. 금속계 합금에 비해10년 정도 늦게 개발된 탄소소재를 이용한 수소저장은 그 가능성이 매우 높은 것으로 평가되고 있다. 흑연에 알카리금속을 도핑할 경우 수소저장량이 매우 높아진다는 1970년대 결과를 시작으로 최근에는 탄소나노튜브에 매우 많은 양의 수소를 저장할 수 있다는 결과까지 많은 연구가 이루어졌다. 탄소나노튜브에는 많은 양의 수소를 저장할 수 있으며 또한 알카리 금속을 도핑할 경우 더 많은 양의 수소를 저장할 수 있다는 보고가 있다. 그러나 탄소나노튜브에 저장된 수소는 충전은 가능하나 방전이 어렵다는 문제에 봉착해 있다. 이러한 문제를 제거하면서도 많은 양의 수소저장이 가능한 재료로 탄소나노섬유가 대두 되었고 탄소나노섬유는 탄소나노튜브에 비해 직경이 굵기 때문에 외형적인 비표면적은 적지만 각각의 흑연 platelet이 섬유의 표면으로 향해 있어 수소가 그 platelet 층사이로 들어갈 경우 탄소나노튜브보다 훨씬 더 많은 수소의 저장이 가능하다는 평가가 이루어지고 있다.

2) 특성 및 적용분야

  GNF는 흑연 platelet이 섬유의 표면으로 향해 있어 실제 수소저장에 대한 비표면적이 매우 넓다. 또한, 흑연층 구조의 틈새에 수소가 저장될 때 물리흡착과 다른 강한 화학적 흡착력을 나타내어 상온에서도 높은 흡착능력을 보인다. 이러한 능력을 바탕으로 GNF는 수소를 최고 30L/g까지 저장이 가능하다는 보고가 있다. 초소형전원의 Cellular Phone 전원, Lap-Top PC 전원 / 소형전원의 Portable 전원(자판기, 노트북 PC, 조명, 이동통신기기, 군사용통신기기) / 중형전원의 자동차(보트, 오토바이)용 밧데리, On-site 발전용 / 대형전원의 대형 발전용(아파트, 공장 등의 설치형 발전기) 등에 적용가능하다

가격 (나노미래)

Structure : ꡒHerringboneꡓ stacking              arrangement Diameter : 130～150nm Length : 25～30㎛ Purity : >95 vol. %	수량	VAT 별도
		1g당 (원)	금액 (원)
	50g	2,500	125,000
	100g	2,000	200,000
	1kg	1,500	1,500,000
	10kg	1,000	10,000,000
	>100kg	-	-