의약품과 자동차, 항공과 반도체에 쓰이는 신소재! 배터리의 도전재부터 하키 스틱이나 골프채같은 스포츠 용품, 전자 차폐용 플라스틱, 항공과 우주 및 자동차 산업에서 부품의 내구성과 강도를 개선하는 데 쓰이는 CNT(Carbon Nano Tube). 오늘 FOCUS ON에서는 차세대 소재 CNT에 대해 자세히 알아보겠습니다.
CNT는 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube)의 약자로 1991년 일본 NEC 연구소의 이지마 스미오 박사가 처음 발견했습니다. 지름은 수 nm(나노미터)이지만 강도와 전기 전도율, 열전도율이 높아 ‘꿈의 신소재’라 불립니다.
CNT는 원기둥 모양의 나노 구조를 지니는 탄소의 동소체*입니다. 이 소재는 탄소 원자로 이루어진 그래핀이라는 막이 튜브 모양으로 형성되어 탄소나노튜브라는 이름이 붙여졌습니다. 그래핀이 튜브 형태로 말아지는 각도에 따라 다른 나노튜브가 만들어지며, 그 형태나 지름의 크기에 따라 금속 또는 반도체 등 다양한 형태로 사용됩니다.
* 동소체 : 같은 원소의 원자로 된 분자 또는 결정에서 원자들의 배열이 다른 물질
CNT의 강도는 철강의 100배에 달하며 지금까지 발견된 물질 중 가장 강한 물질입니다. 또한 전기 전도율은 구리와 비슷하고 열 전도율은 다이아몬드와 비슷합니다. 튜브 형태라 속이 비어 있기에 가볍고 유연성이 뛰어난 것도 특징입니다. 소재가 탄소로만 구성되어 화학적 반응에 안정적이고 다른 소재와 합성이 용이하며, 굵기는 나노미터 수준인데요. 이는 머리카락의 1만 분의 1 정도입니다. 그래서 적은 투입량으로도 우수한 전기 전도성을 확보할 수 있습니다.
CNT는 전기차 배터리의 필수 소재로 유명하며, 자동차 사이드 미러나 카시트, 핸들 열선시트와 같은 자동차 내외장재는 물론 항공기, 2차 전지, 반도체 등 다양한 곳에 쓰입니다. 전기가 잘 통하고 탄성이 우수하여 자동차나 비행기, 우주선의 외형과 바퀴 등에 사용됩니다. 또, 전도성 기판이나 반도체 회로 같은 전자 소자에도 쓰이며 반도체와 평판 디스플레이, 초강력섬유와 생체센서 등 다양한 분야에도 활용되고 있습니다.
2차 전지인 배터리에도 CNT가 쓰이는데요. 양극재와 음극재 모두에 활용할 수 있습니다.
CNT를 양극재에 사용하면 기존 카본블랙 소재의 도전재*에 비해 높은 전도도를 구현하기에 도전재 사용량을 줄일 수 있고, 그만큼 양극재를 더 채울 수 있어 배터리 용량과 수명을 크게 늘릴 수 있습니다. 전도성 또한 높기 때문에 배터리를 보다 빠르게 충전할 수 있으며, 배터리 수명 안전에도 큰 효과를 나타냅니다. LG화학은 LG에너지솔루션 등 배터리 업체에 양극 도전재(Conductive Additive) 용도로 CNT를 공급하고 있습니다. 여기에 공급된 CNT는 전기, 전자의 흐름을 도와 배터리의 용량과 수명을 늘리는 역할을 담당합니다.
실리콘 활물질이 적용된 음극에 CNT 도전재를 사용하면, 실리콘 활물질의 큰 수축·팽창에도 견고한 도전 네트워크가 유지돼 셀 수명이 크게 향상합니다. 차세대 음극재로 주목받는 실리콘 음극재에 CNT 도전재는 필수적인 소재입니다.
* 도전재 : 전극 활물질 사이에서 전자의 이동을 촉진시키는 물질
LG화학은 고객 제품의 성능을 높여주는 고전도, 고분산 CNT를 개발하여 일본, 중국, 미국, 유럽 등 전 세계로 사업을 확대하고 있습니다. CNT의 전도성이 보다 효율적으로 실현될 수 있도록 계속해서 연구를 진행 중이며, 이 과정에서 550여 개의 CNT 특허를 출원했습니다. 그리고 현재 여수에 3개의 CNT 공장을 운영 중이며, 대산에 네번째 CNT 공장 증설을 계획하고 있습니다.
특히 LG화학의 CNT 네번째 공장은 연간 3,200톤의 CNT를 생산할 수 있는 규모로 증설될 예정입니다. 이 CNT 네번째 공장이 완공되면 그동안 생산했던 CNT 양의 두 배 이상인 6,100톤의 CNT를 생산할 수 있다고 합니다. 이는 국내 최대 규모의 CNT 공장이며, 고속 성장할 것으로 예상되는 글로벌 CNT 시장에 맞추어 빠르게 준비하고 있는 셈입니다.
오늘은 미래를 이끄는 차세대 신소재, CNT에 대해 알아보았습니다. 전기차의 개발 및 수요가 점차 증가하면서 여기에 들어가는 배터리 관련 소재 또한 수요가 늘어나는 추세입니다. 이에 따라 전기차 배터리에 사용되는 CNT에 대한 개발 및 연구도 계속해서 진행되고 있습니다. 앞으로도 계속해서 발전할 CNT에 많은 관심을 부탁드립니다.
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