탄소나노튜브의용도별활용현황및신소재화가능성 49 탄소나노튜브의용도별활용현황및신소재화가능성 목 차 Ⅰ. 탄소나노튜브개요 Ⅱ. 용도별적용현황 Ⅲ. 국내외시장동향 Ⅳ. 전망과과제 Ⅰ. 탄소나노튜브개요 탄소끼리결합한미세한튜브모양의물질 탄소나노튜브 (CNT, Carbon Nano Tube) 는탄소끼리육각형으로결합하여원통형튜브구조를이룬탄소동소체 1) 의일종 - 탄소나노튜브는흑연, 다이아몬드등다른탄소동소체와동일하게탄소성분으로구성되어있으나모양과성질에차이 - 직경이수 nm 정도로작은튜브모양을하고있어나노튜브로지칭 하나의튜브로이루어진단일벽 (single walled: SW), 두개의튜브가겹쳐진이중벽 (Double Walled: DW), 3개이상의튜브로구성된다중벽 (Multi Walled: MW) 등으로구분 - 단일벽탄소나노튜브는생산수율이낮고정제과정이복잡하여현재대부분다중벽탄소나노튜브를사용 - 다중벽탄소나노튜브의가격은 kg당 400~450 달러로단일벽탄소나노튜브의 25,000~90,000달러보다월등히낮음 2) * 본고는산은경제연구소조경진수석연구원이집필하였으며, 본고의내용은집필자의견해로당행의공식입장이아님 1) 같은원소로이루어져있으나모양과성질이다른물질, 탄소동소체는흑연, 다이아몬드, 플로렌, 탄소나노튜브등 2) 소대섭외 (2008.12), 탄소나노튜브의산업적응용, 109 쪽, 한국과학기술정보연구원국내업계에의하면최근다중벽탄소나노튜브의가격은 kg 당 100 달러로거래되는경우도있는것으로확인
50 산업이슈 탄소나노튜브의구조및종류 강도와유연성이뛰어난차세대신소재 탄소나노튜브는다른소재에비해특정물성이뛰어나신소재로주목 - 동일한굵기의강철대비인장강도 3) 가최대 100배이상이며높은인장강도에도유연하여 90도까지손상없이휠수있음 - 고도의유연성과강도등을요하는분야에서핵심소재로사용될가능성 - 높은열전도성을통해발열체와방열체 ( 放熱體 ) 4) 의소재로사용되며우수한전기전도성을통해전자파및정전기해소소재로사용 탄소나노튜브를단독으로사용하기보다는다른소재에혼합하여사용 3) 잡아늘이는힘에끊어지지않고견디는능력 4) 방열 ( 放熱 ) 은전도된열이방열체로전달되어공기의대류작용을통해외부로배출되는원리로서열을차단하는방열 ( 防熱 ) 과다름. 열이발생되는부분에서방열체 ( 放熱體 ) 로열이빨리전달될수록열에따른기기의손실을막을수있어높은열전도율이중요
탄소나노튜브의용도별활용현황및신소재화가능성 51 탄소나노튜브의물성 항목물성비교 탄성률 1~2 TPa 강철의 7 배 인장강도 30~180 GPa 강철의 100 배 전기전도도 6,000 S/cm 구리선의 1,000배 열전도도 6,000 W/m k 다이아몬드 2배 주 : Pascal: 압력의단위로서 1Pascal은 1m2의넓이에 1N의힘이가해지는정도, 테라 (T) 는 10 12, 기가 (G) 는 10 9 S/cm(Simense/cm): Simense는저항의역수 (Ω ) W/m K:(Watt/m K): 1K( 캘빈 ) 은 -273 를의미 탄소층이감겨있는각도에따라도체와반도체의성격을나타냄 - 단일층탄소나노튜브의 Zigzag 형은반도체, Amchair 형은도체의성격을띔 단일벽탄소나노튜브의구조 Ⅱ. 용도별적용현황 3 분야에서응용방향모색 주요응용분야는고분자복합소재, 에너지소재, 전자기기소재등 3 분야 - 현재가장활발하게적용되고있는분야는고분자에탄소나노튜브를혼합하여
52 산업이슈 사용하는고분자복합소재부문 - 이외에도에너지, 전자등다양한분야에적용을위해개발을진행중 탄소나노튜브의응용분야 분야고분자복합소재에너지소재전자기기소재 적용대상정전방지, 전자파차폐, 정전도장, 구조체강화연료전지, 리튬이온전지, 슈퍼커패시티트렌지스터, 광학필름, 전자기기 고분자복합소재는현재가장일반적용도 고분자복합소재란고분자소재에탄소나노튜브를혼합하여고분자의특성을유지하면서탄소나노튜브의장점을더한소재 - 탄소나노튜브를기존고분자소재에소량만혼합하여도기계적물성, 전기전도도등이큰폭으로향상 기계적강도변화 전기전도성변화 자료 : 이영희 (2005.6), 탄소나노튜브의물성과응용, 새물리, Vol. 51. No2
탄소나노튜브의용도별활용현황및신소재화가능성 53 고강도와경량화가요구되는기계및구조용복합재료에적용 - 06년프랑스도로일주사이클대회에서우승한자전거프레임에탄소나노튜브가적용되어기존소재보다 20% 무게를감소 - 항공기동체소재는연비절감, 이착륙시활주거리단축등을목표로기존티타늄, 알루미늄을대신하여탄소나노튜브의사용이증가 - 미국의경우자동차소재용탄소나노튜브는 08년 50톤미만에서 15년 400톤을넘어설전망이고건설소재용도 10년 100톤미만이나 '15년에는 1,000 톤에육박할전망 항공기동체소재별비교 소재 Density(g/ cm3 ) Modulus(GPa) Strength(MPa) 강철 7.6 207 676 티타늄 4.5 83 421 알루미늄 2.8 70 468 탄소섬유 2.7 140 2,505 탄소나노튜브 1.2 147 15,220 탄소나노튜브의전기전도특성을이용하여정전기방지, 전자파차폐등에도적용중 - 전자제품의화재발생, 작동오류등의원인인마찰전기를즉시방전시킬수있는정전기해소물질로도개발중 미국에서는정전기방지제품의시장규모가 04년 9억8천만달러에서 09년 14억 7천만달러로연평균 8.3% 증가 폴리카보네이트, 나일론수지등에카본나노튜브를혼합하여전기전자제품의외장재, 자동차연료배관및펌프모듈등에적용 - 탄소나노튜브의높은열전도성과열방출특성을이용하는방열재로서사용도기대 LED의경우램프에서발생되는열로제품의수명이단축되는문제를개선하기위하여탄소나노튜브로 LED 방열도료를개발
54 산업이슈 에너지저장능력을향상시키는에너지소재로도개발중 탄소나노튜브의넓은표면적, 열화방지, 굴곡성등을이용하여연료전지, 2차전지, 태양전지, 초고량커패시터등에에너지소재로개발중 - 연료전지는연료에포함된수소와공기에포함된산소의전기화학적반응을통해전기와열을생산하는전지 탄소나노튜브는빈공간이많고표면적이넓고가벼워수소를저장하는구조체로적합 - 1997년 IBM에서처음탄소나노튜브의수소저장에대해연구를시작 현재수소연료전지차의수소저장능력은 2wt 5) % 이나탄소나노튜브를이용할경우미국에너지부기준인 6.5wt% 에도달할수있을것으로기대 현재 2차전지의음극재인흑연에탄소나노튜브를일정비율혼합하여사용하는방법을연구중 - 음극재인흑연의열화속도를늦추기위하여탄소나노튜브를 10% 첨가할경우충 방전을반복하여도특성에변화가없어전지수명이향상되는것으로나타남 탄소나노튜브의수소저장 탄소나노튜브포함시음극재특성변화 자료 : M. Endo. at all(2001), Carbon, Vol.39, pp1287~1297 5) 질량분율의단위로전체질량에서특정물질의질량비율을나타냄
탄소나노튜브의용도별활용현황및신소재화가능성 55 전자이송능력을활용한전자소재적용가능성에도주목 전자이송능력이우수하여전자기기의소재로유용 - 전자소재로는탄소나노튜브를이용한투명전극필름 6) 이가장상용화에근접 - 투명전극필름은전기전도성이우수하고가시광선영역에서투과율이 80% 이상을유지해야하며주로사용되는소재는 ITO필름 7) ITO는제조시고가의진공증착장비가필요하며구성물질로서희유금속인인듐 (Indium) 의가격이급등할경우제조단가가높아지는단점이있고외부충격, 휨등에쉽게파손되고열에약함 ITO 필름을대체할수있는소재로탄소나노튜브가부상 - 투명전극필름제조시 ITO 등기존재료는 5wt% 가소요되나탄소나노튜브는 0.04wt% 만으로도제조가가능하고공정도단순화되어 ITO 필름대비 30% 이상의제조원가절감이가능 플라스틱기판과의접착력, 변형등에대해서도 ITO대비높은안전성을보유 - 08년상보에서한국전기연구원으로부터탄소나노튜브를이용한투명전극제조기술을이전받아시제품을출시하여테스트를진행중 탄소나노튜브와 ITO 물성비교 분야 탄소나노튜브 ITO 투과도 O 전기전도성 X 비용 O O 칼라 O X 굴곡성 / 내구성 O X 안정성 O O 6) 가시광선영역의빛을투과하면서도전기전도성을가진박막전극필름으로디스플레이, 터치패널등의전극기판으로사용 7) PET(PolyEthylene Terephthalate; 음료수병등의합성에사용되는석유화학제품 ) 필름위에 ITO(Induim Tin Oxide) 를코팅한필름
56 산업이슈 플렉서블디스플레이용투명전극필름소재로는탄소동소체인그래핀 (Graphene) 과탄소나노튜브가경합할전망 - 플렉서블디스플레이는유연하면서도강하며전기적특성과투과성이높은미래소재의시장판도를좌우할요소 AMOLED와같은이미지재현물질위에투명성이있는플라스틱필름을덮고플라스틱필름위에탄소나노튜브나그패핀을혼합한도료를코팅하는방식으로기판을제조 5~6년후상용화가진전되고 2010년대초에는시장규모가 300억달러에육박하면서디스플레이시장의주도권을장악할전망 세계플렉서블디스플레이시장규모와전망 ( 단위 : 백만달러 ) 자료 : 디스플레이뱅크 - 그래핀은물성면에서우수하나상용화에는탄소나노튜브가보다근접한상태 그래핀은탄소나노튜브대비기계적물성, 상대적으로넓은표면적등의장점이있으나대면적생산을위한기술개발등은초기단계 - 미국런셀리폴리테크대연구팀은그래핀과탄소나노튜브를각각융합한에폭시복합소재를비교한결과그래핀은탄소나노튜브의 10% 만사용하고도유사한강도를확보 - 탄소나노튜브는물성에서뒤지나상업생산이가능한단계, 플렉서블디스플레이소재로서개발진행중
탄소나노튜브의용도별활용현황및신소재화가능성 57 탄소나노튜브의반도체적성질을이용하여반도체소재로도개발모색 - 공정단축이가능하며크기가나노미터로작아현재의반도체소재보다집적도향상이가능 - 탄소나노튜브에서반도체적인성질만을분리해내는데어려움이있고나노사이즈의크기를웨이퍼전체에균일하게정렬하는것등의문제해결이과제 탄소나노튜브를이용한전계발광디스플레이 (FED, Field Emission Display) 8) 는시제품까지출시되었으나양산에이르지는못한상황 - 전계발광디스플레이는휘도가높고시야가넓은브라운관 TV의장점에초박막형디자인이가능하다는장점을보유 - 탄소나노튜브는기계적강도가높고전기전도도가우수하여다량의전류를흘러보낼수있어전계발광디스플레이의소재로개발 - 탄소나노튜브를이용한전계발광디스플레이는시제품양산까지는진행이되었으나대형화, 양산성등은미흡 디스플레이용백라이트유닛 (Back Light Unit) 9) 에도탄소나노튜브적용시도 - 높은휘도, 가격경쟁력, 환경친화성등장점이있으나휘도 15,000 cd/ m2이상, 수명 50,000시간이상등 BLU의기준에는아직부족 10) 디스플레이용 BLU 특성비교 항목 CCFL LED CNT 휘도 (cd/ m2 ) 9,000 8,500 12,000 균일도 (%) 75~80 85 >90 색재현성 (%) 92 105 92 수명 (hr) 30,000 50,000 35,000 가격 낮음 비쌈 낮음 친환경성 수은포함 무수은 무수은 자료 : 전자부품연구원 8) 하나의셀 (cell) 이하나의브라운관기능을하며, 이와관련수백만개의미세한브라운관이하나의디스플레이를구현하는차세대평판디스플레이 9) 액정표시장치 (LCD) 등액정화면의뒤에서빛을방출해주는역할을하는광원장치 10) 디스플레이의주류가受發 L 光인 LCD 에서自發光인 AMOLED 등으로대체되면 BLU 시장은위축예상
58 산업이슈 Ⅲ. 국내외시장동향 성장이전망되나여전히소규모의초기시장 10년세계시장은 6.7억달러로크지않으며이후연평균 10.4% 씩성장하여 16 년에 11.0억달러정도의시장으로성장할전망 - 다중벽탄소나노튜브시장이 6.3억달러, 단일벽탄소나노튜브시장이 0.4억달러로현재는다중벽탄소나노튜브시장이대부분 시장규모는탄소나노튜브자체시장뿐만아니라탄소나노튜브를이용해서생산한소재시장까지포함 - 용도별시장점유율은고분자복합소재가 472.9백만달러 (69%) 로가장크며전자소재 68.5백만달러 (10%), 에너지소재 54.8 백만달러 (8%) 순 - 10년세계생산설비규모는 2,500톤이며 16년에 12,800톤까지성장할것으로예상 생산설비의비중은아시아 44.2%, 북미 29.2%, 유럽 24.0%, 기타 2.6% - 아직발전초기단계로서소규모시장이나, 미래형첨단제품에쓰이는핵심적대안소재의후보 세계시장규모및생산능력전망 10 년용도별구성비 자료 : Centre for Knowledge Management of Nanoscience and Technology (2011.7) 'Global carbon nanotubes market - industry beckons' 등을재구성
탄소나노튜브의용도별활용현황및신소재화가능성 59 탄소나노튜브는전세계 100여업체에서생산중이며전체시장의 66% 를상위 4 개회사가점유 - 업체별시장점유율은 CNano Technology 20%, Showa Denko 20%, Bayer MaterialScience 10%, Nanocyl S.A 16%, 기타 34% 해외주요탄소나노튜브제조업체현황 ( 단위 : 톤 / 년 ) 제품 제조사 국가 생산규모 생산분야 Unidym 미국 1.5 투명전극소재, 에너지소재 Toray Industries 일본 1.5 에너지소재, 고분자복합소재 SWCNT* Mitsubishi Rayon 일본 1.2 연료전지, 고분자복합소재 SouthWest NanoTech 미국 1.0 전자소재, 고분자복합소재 Kleancarbon 캐나다 1.0 에너지소재, 고분자복합소재 Showa Denko 일본 500 2차전지, 고분자복합소재 CNano Technology 미국 500 에너지소재, 고분자복합소재, 섬유소재 MWCNT* Nanocyl S.A 벨기에 400 연료전지, 고분자복합소재 Bayer Materials 독일 260 고분자복합소재 Arekema 프랑스 50 고분자복합소재 Hyperion Catalysis 미국 50 고분자복합소재, 자동차용수지 주 : SWCNT(Single-Walled Carbon Nanotubes), MWCNT(Multi-Walled Carbon Nanotubes) 성장기대감으로국내대기업의참여가증가 11년국내탄소나노튜브의시장규모는 100억원에불과하며복합소재까지포함해도 250억원수준 - 최근까지는정전기해소등복합소재에 80% 이상사용되었으며향후디스플레이투명전극, 2차전지음극소재, LED 광원램프등다양한분야의소재로서개발중 - 국내생산규모는한화나노텍 50톤, 효성 40톤, 카본나노텍 40톤, CNT 20톤, 금호석유 30~50톤등, 총연산 200톤 국내시장은향후성장성에대한기대로대기업의진출이증가하고있으며중소기업들은차별화된품목에집중
60 산업이슈 - 고분자복합소재와투명전극필름소재에적용이활발 효성은정전기방지및방열제품, 제일모직은외부에서탄소나노튜브를구매하여가공한후자동차, 전자부품등에소재로적용 상보는 09년한국전기연구원으로부터탄소나노튜브를이용한투명전극필름기술을이전받아상업화준비단계 국내주요탄소나노튜브관련업체동향 업체명금호석유제일모직상보호남석유삼성SDI 한화케미칼 동향 - 09년사업진출하여연산 50만톤설비구축, 2013년까지 300톤규모로확대할예정, 알루미늄복합소재분야로적용을확대 - 11년삼성세메스로부터 CNT사업인수 - CNT를외부에서구입하여전도성고분자복합체개발 - 컴퓨터소재, 전도성필름, 전자파차폐용물질등개발중 - 2008년한국전기연구원으로부터탄소나노튜브를이용한투명전극필름기술이전을받아시제품생산 - 10 년테크항공인수로탄소복합소재시장에진출 - 탄소나노튜브를이용한 2차전지용음극활물질개발 - 백라이트유닛 (BLU) 에대한기술도개발중 - 한화나노텍에서 CNT를생산, 한화케미칼에서용도개발을전담 - 투명전극, 반도체포장재, 전도성고분자등개발중 Ⅳ. 전망과과제 탄소나노튜브시장은고분자복합소재를중심으로성장이예상되나당분간소규모에서벗어나질못할전망 - 고분자에탄소나노튜브를혼합하여기계적강도향상, 전기전도성증가등을통해고부가가치소재로활용이가능 - 현재까지는고분자에혼합되는첨가제수준으로사용되고있어단기간에큰성장을기대하기는어려움
탄소나노튜브의용도별활용현황및신소재화가능성 61 - 시장규모확대는미흡하지만미래형제품의소재로서관심은지속 - 고분자복합소재이외전자부품소재, 에너지소재등은기술적인부분의개선이필요하여연구개발단계에머물고있는상황 일부용도는샘플형태의제품이출시는되었으나가격, 생산성, 기존소재대비차별성부족등으로상업화가유보 가격, 가공성의한계를극복하여단독소재로적용될지여부가중요 - 높은가격과가공의어려움은첨가제가아닌단독소재로서탄소나노튜브시장의성장을제약 탄소나노튜브의 1kg당가격은약 10만원이상으로철강, 플라스틱등보편적소재보다월등히비싼편 나노규모의입자를조작하여용도에적합한단독소재로가공해내는기술도아직미흡 - 장기적으로단독소재로적용될지여부가본격성장의관건 가격인하를위한규모의경제확보, R&D지속을통한기술의보편화가해결과제 5~6년후성장이시작될플렉서블디스플레이소재로서채택여부가중요 탄소나노튜브만의차별화된시장을확보하는것이필요 - 탄소나노튜브는흑연, 카본블랙등다른탄소동소체성분을보유한물질들이사용되는용도에는적용이가능 - 상대적으로높은가격, 나노물질로서인체유해성, 기술적인어려움등으로저가의범용시장에는부적합 - 탄소나노튜브의장점을살려고부가가치제품으로적용이가능한용도를확보하는것이중요 성장전략추진은장기적관점을요구 - 탄소나노튜브는미개척분야가많고해외에서도연구는초기단계 - 국가경쟁력향상을위한대안적소재기술인나노테크놀러지육성의일환으로인내력있는장기적설계가필요 - 자동차, 전자등수요산업과화학, 소재산업을연결하는협력프로그램추진도유효할전망