폴리머 인사이트 #07. 인류의 미래를 위한 소재! 나노카본 복합재료
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        폴리머 인사이트 #07. 인류의 미래를 위한 소재! 나노카본 복합재료

        2018. 08. 02

        인류의 미래를 위한 소재! 나노카본 복합재료

        자원 고갈과 환경 오염의 해법, 새로운 소재!

        현생 인류인 호모 사피엔스 사피엔스가 등장한 약 4만 년 전부터 인류는 끊임없는 위협에 시달려왔습니다. 배고픔, 질병 등 고질적인 위협은 현대 사회에 들어서면서 개선되었지만 또 다른 위협들이 등장했습니다.

        그중에서 오늘날 인류에게 위협이 되는 대표적인 문제는 자원 고갈과 환경 오염입니다. 자원 고갈로 인해 에너지 절약에 대한 필요성, 환경 문제에 대한 이슈가 커지면서 ‘새로운 소재’를 개발해야 한다는 목소리가 커지고 있습니다. 특히나 산업이 점차 고도화되고 세분되면서 다양한 분야에서 쓰일 수 있는 차세대 소재가 필요해졌습니다.

        그렇다면 어떤 소재가 차세대 소재로 떠오르고 있을까요? 기존에는 자동차와 철도, 선박, 우주 및 항공 등 운송 수단에 사용되는 철강, 알루미늄 등의 금속 소재가 차세대 소재의 중심이 되어 왔습니다. 최근 들어서는 경량화, 우수한 기계적 특성, 다양한 기능화를 부여할 수 있는 복합재료가 운송수단을 제작하는 데 쓰이고 있습니다. 특히 연료의 효율이 높고 지구온난화를 위협하는 가스 배출이 적은 소재, 복합재료가 기존에 사용되던 금속 소재를 대신하는 대안으로 제시되고 있습니다.

        우리에게 필요한 복합재료

        두 종류 이상의 소재를 복합화한 재료를 복합재료(Composite Materials)라고 합니다. 물리적으로, 화학적으로 서로 다른 상(Phase)을 형성하면서 보다 유효한 기능을 발현하는 재료입니다.

        복합 재료(Composite Materials): 물리적/화학적 서로 다른 상(Phase)형성, 결합 전 소재보다 유효한 기능 발현

        복합재료의 시초는1940년 유리섬유강화플라스틱입니다. 유리섬유는 값이 저렴하여 강화재로 이용되었습니다. 고분자, 경량화를 목표로 개발이 진행되었지만 비강도(Specific Strength, 비중에 대한 재료의 강조)가 우수한 유리섬유에는 결점이 있습니다. 바로, 비강성(Ratio of Rigidity, 비중에 대한 재료의 난변형도)이 낮다는 점입니다.

        그 다음으로 개발된 강화재는 아라미드 섬유입니다. 아라미드 섬유는 열에 강하고 힘을 가해도 잘 늘어나지 않습니다. 5mm 정도 굵기의 실이지만 2t 정도의 자동차를 들어올릴 수 있을 정도로 튼튼하며 불에 타거나 녹지 않습니다. 500℃가 넘어야 검게 탄소로 변합니다. 고강도, 고강성의 특성을 갖기 때문에 아라미드 섬유를 이용한 복합재료는 우주와 항공 분야에 사용되었습니다. 하지만 자동차와 항공 분야 등 높은 기술이 요구되는 산업에서 기존의 복합재료의 성능을 뛰어넘는 고기능 복합재료가 필요해지고 있습니다. 이러한 필요성에 의해 다양한 대안이 등장했습니다. 그중에서 가장 각광 받는 분야가 바로 나노카본 복합재료입니다.

        나노카본 복합재료의 핵심, 탄소나노튜브

        탄소나노튜브(CNT): 강도, 탄성계수, 내마모 성능이 우수하고 전기전도율과 열전도율이 뛰어나 미래의 신소재로 주목받고 있습니다.

        탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT), 그래핀(Graphene), 그래핀옥사이드(Graphene Oxide) 같은 나노카본 복합재료는 강철의 100배에 해당하는 강도를 가지고 있으며 구리의 1,000배에 달하는 전기전도율을 가집니다. 열전도율은 다이아몬드보다 2배 높습니다.

        특히 탄소나노튜브(CNT)가 나노카본 복합재료 중에서 가장 유망합니다. 탄소나노튜브(CNT)는 1991년 일본 NEC 연구소의 이지마 박사가 전자현미경으로 관찰하면서 알려졌습니다. 그 이후 독특하고 탁월한 특성 때문에 세계 수많은 과학자의 연구 대상이 되었습니다.

        탄소나노튜브(CNT)는 기존의 입자 및 섬유형 강화재에 비해 강도, 탄성계수, 내마모 성능이 우수하고 전기전도율과 열전도율이 뛰어나 미래의 신소재로 주목받고 있습니다. 특히 우수한 물리적 특성과 화학적 안정성으로 인해 복합재료의 강화재료로 사용될 경우, 기존 재료의 한계를 극복할 것으로 기대를 모으고 있습니다.

        탄소나노튜브의 오늘과 내일

        탄소나노튜브(CNT)와 관련해 세계 선진국들은 원천기술 연구에 집중하고 있습니다. 2004년 금속기지 내에 탄소나노튜브(CNT)의 강화 효과가 최초로 확인된 이후부터 일본과 독일을 중심으로 탄소나노튜브(CNT)/금속나노 복합재료에 대한 연구가 진행 중입니다.

        탄소나노튜브를 이용한 금속기지 나노 복합재료는 일본과 독일에서 자동차용 내마모 소재 혹은 경량화 소재로 개발되고 있습니다. 공정과 소재에 대한 정보는 일부 내용을 제외하고 공개되지 않았습니다.

        초기에는 탄소나노튜브(CNT)의 강화 효과에 대해 연구가 진행되었으나 최근에는 고강성 및 고강도를 얻기 위한 고부피분율 분산 연구와 공정 단가를 절감하기 위한 실형상 주조에 관한 연구로 그 방향이 바뀌고 있습니다.

        탄소나노튜브(CNT)로 만든 제품들

        탄소나노튜브(CNT)를 보강재로 사용한 경량/고강도/고탄성 구조용 소재 개발이 활발히 이루어지고 있습니다. 또, 전자제품 등에서 나오는 전자파를 막기 위해서 자성 입자가 코팅된 탄소나노튜브(CNT)를 적용하는 탄소나노튜브 복합체를 연구 중입니다.

        선진 기술과 어깨를 나란히 하는 국내 탄소나노튜브(CNT) 복합 기술은 국내에서 도입기에 있습니다. 국내에서는 한화나노텍, 금호석유 화학, 제일모직, (주)CNT, 카본나노텍, 제이오 등에서 탄소나노튜브(CNT) 소재를 개발하고 판매하고 있습니다. 하지만 응용제품과 적절한 조화가 아직 이루어지지 않아 시장 성장이 활발하지는 않습니다.

        LG화학 주관의 나노카본 복합소재 사업단

        LG화학과 함께 33개의 산학연이 뭉친 나노카본 복합소재 사업단은 나노카본 원재료 설계와 융복합화, 부품화 제품 적용을 추진하고 있습니다.

        국내의 기업체 중에서 LG화학, 제일모직 등 대기업과 다수의 중소기업에서도 고분자에 탄소나노튜브(CNT)를 분산시켜 대전 및 정전방지에 적합한 금속 대체 소재를 개발하였습니다. 이 금속 대체 소재는 현재 IT 기기나 내외장 및 반도체 공정용 부품의 소재에 적용하고 있습니다.

        특히 LG화학은 나노카본 복합소재 사업단의 총괄주관을 맡아서 운영 중입니다. LG화학과 함께 33개의 산학연(산업계, 학계, 연구 분야)이 뭉친 나노카본 복합소재 사업단은 산업통상자원부와 한국산업기술평가관리원이 진행하는 WPM(World Premier Materials) 사업을 통해 나노카본 원재료 설계와 융복합화, 부품화 제품 적용을 추진하고 있습니다. WPM(World Premier Materials) 사업은 미래 유망 10대 핵심 소재의 세계 최초 상용화와 시장 창출을 목표로 시작된 사업입니다.

        LG화학 주관으로 운영 중인 나노카본 복합소재 사업단은 탄소나노튜브(CNT)의 우수한 장점을 활용하여 초경량, 전자기파 차폐 및 고방열 복합소재를 양산하였습니다. 또 이를 자동차 전장부품 적용하는 성과를 세웠습니다. 탄소나노튜브(CNT)가 적용된 레이더 흡수 소재를 세계 최초로 개발하였으며 자동차 사각지대 감지 장치에 이를 적용하여 상용화시켰습니다. 현재 전 세계적으로 탄소나노튜브(CNT)의 생산 능력은 연간 최소 2,000t 이상인 것으로 파악됩니다.

        나노카본 복합재료의 미래

        나노카본의 가격, 복합체 생산 공정 중 나노카본의 물성(물질이 가진 성질) 저하 등의 문제와 초기 시장에서 기술 이전 등이 쉽지 않다는 점, 나노입자와 고분자 등 관련된 재료의 데이터베이스화 등이 문제로 꼽히지만 현재 이를 해결하기 위해 여러 방법이 동원되고 있습니다. 또 실용화를 위한 연구도 진행 중입니다.

        나노카본 복합재료의 뛰어난 물성 덕분에 고부가 가치 소재로 활용할 수 있으며 미래형 소재로 높은 관심을 끌고 있습니다. 이미 미국 등 선진국에서는 나노카본 복합재료가 특수 목적으로 개발되고 있습니다. 자동차뿐만 아니라 항공우주, 국방 분야의 고강도 다기능 소재 등에 활용될 수 있기에 앞으로 방대한 시장이 형성되리라 예상됩니다.

        한계를 극복하고 상업적으로 효용성이 있는 연구가 뒷바침되면 나노카본 복합재료는 미래를 이끄는 중심 소재가 될 것입니다.

        중장기적으로 나노카본의 가격, 단일소재로서의 적용성 등 한계를 극복하고 상업적으로 효용성이 있는 대량생산공정기술, 개질 및 분산 기술, 복합재료의 가공기술 등 연구가 뒷받침되면 나노카본 복합재료는 미래를 이끄는 중심 소재가 될 것입니다. 앞으로 더욱 더 화학과 소재 산업 관점에서 나노카본 복합재료에 대한 장기적인 설계와 안목이 필요합니다.

        내용 출처: LG화학 테크센터 <폴리머 인사이트> 2016 봄호 P.19 ‘나노카본 복합 재료’(선행개발팀)

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