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│ 탄소원자만으로 이루어진 탄소나노튜브는 21세기의 나노테크놀로지를 │
│선도하는 가장 중요한 재료이므로, 한국이 이 분야의 선두그룹에 동참 │
│하기 위해서는 반드시 나노튜브의 합성기술 확보가 절실한 실정이다. │
│그러나, 선진국들은 이미 대량합성 기술을 확보하고 특허로 이를 보호 │
│하고 있으므로 선진 연구의 단순 모방이나 변형만으로는 부족하며, │
│우리만의 독특한 원천합성기술개발이 요구되고 있다. │
│ │
│ 국내에서는 1998년 이후로 탄소나노튜브에 대한 중요성이 인식되어 │
│일부 대학을 중심으로 탄소나노튜브 합성에 대한 연구가 진행되어 │
│왔으며, 특허출원건수도 1999년에 급격히 증가하여 현재까지 98건이 │
│출원되었고 올해초 특허청를 중심으로 구성된 나노복합재료 신기술 │
│연구회 모임에는 산학연관계자를 포함하여 90명의 회원들이 적극 │
│참여하여 특허기술정보를 공유하고 있다. │
│ │
│ 국내의 한 기업은 원천기술 및 대량생산기술을 확보하여 오는 9월경 │
│에 일부제품에 대한 시험생산을 예정하고 있으며, 1∼2년의 시험생산 │
│단계를 거쳐 본격적인 대량생산이 시작된다면 외국과의 가격경쟁은 │
│더욱 치열해질 것이고 2005년에는 400억불정도 예상하고 있는 디스플 │
│레이시장이나 광기능성 소자부품소재, 수소저장 연료전지, 나노복합체 │
│등의 분야에까지 응용분야를 넓히게 되어 새로운 소재산업의 경쟁력을 │
│갖추게 될 예정이다. │
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I. 탄소나노튜브의 개요

- 탄소나노튜브(Carbon Nanotube, 약칭 CNT라고도 한다)는 1991년도
일본의 NEC의 Iijima 박사에 의해 그 구조가 처음 발견된 이후로
현재까지 탄소나노튜브에 관한 합성과 물성 그리고 응용에 관한 연구가
활발히 수행하고 있다.

- 탄소나노튜브는 그라파이트 면(graphite sheet)이 나노크기의 직경으로
둥글게 말린 형태이며 이때 그라파이트 면이 말리는 각도 및 구조에
따라서 전기적 특성이 도체 또는 반도체 등이 된다. 또한 말린 형태에
따라서 단중벽 나노튜브(single-walled nanotube, SWNT), 다중벽 나노
튜브(multiwalled nanotube, MWNT), 다발형 나노튜브(roped nanotube)로
구분한다.

- 특히 탄소나노튜브는 역학적으로 견고하고 (강철의 100배) 화학적
안정성이 뛰어나며 열전도도가 높고 속이 비어 있다는 특성 때문에
다양한 분야에 응용될 수 있을 뿐만 아니라 기능 또한 뛰어나다. 그래서
각종 장치의 전자방출원, VFD(vacuum fluorescent display), 백색광원,
FED(field emission display), 리튬이온 2차전지전극, 수소저장 연료
전지, 나노 와이어, AFM/STM tip, 단전자 소자, 가스센서, 의공학용
미세부품, 고기능 복합체 등에서 많은 응용 가능성을 보여주고 있다.


II. 국내외 탄소나노튜브 합성의 기술개발동향

- 탄소 나노튜브를 합성하는 방법은 크게 2세대로 구분된다. 1세대의
방법으로는 최초로 나노튜브를 합성하는데 사용되었던 전기방전법이
주류를 이루었으나, 이후로 레이저증착법(laser vaporization),
열분해법(pyrolysis)이 제시되었다. 이들 방법은 탄소나노튜브를 합성한
후, 고순도를 얻기 위해서는 복잡한 정제과정을 거쳐야 하며, 또한
구조제어 및 수직배향 합성이 어려운 단점을 갖고 있다. 이러한 상황
에서도 1996년에는 미국의 Smalley 그룹에서는 레이저증착법에 의해
소량의 전이금속이 포함된 graphite powder를 태워 고순도의 탄소나노
튜브를 합성했다. 이 방법으로는 하루 수g을 얻을 수 있고 현재 시판
중에 있다.

- 이에 반하여, 2세대의 합성법들은 나노튜브의 대량생산을 목적으로 하며,
이러한 예로는 미국의 Oakridge National Laboratory에서 개발한 기상
합성법, G. B. Tech/Rockheed Marteen의 HIPCO 기상합성법이 있으며,
최근에는 탄소나노튜브를 수직배향으로 합성할 수 있는 CVD법(화학기상
증착법, chemical vapor deposition)도 크게 부각되고 있다. 현재 Hot
filament 플라즈마(plasma enhanced) CVD법, RF 플라즈마 CVD법, 마이
크로파 플라즈마(microwave plasma enhanced) CVD법, 열(thermal) CVD법
등이 활발하게 연구되고 있는데, 이 방법은 기존의 전기방전법이나
레이저증착법과 다르게 탄소나노튜브의 수직배향합성 가능할뿐만 아니라
저온합성, 고순도 합성, 대면적 기판합성이 가능하며 나아가서는 탄소
나노튜브의 구조제어가 용이한 장점을 가지고 있다.

- 특히 FED소자에 응용하기 위해서 탄소나노튜브 수직성장이 반드시 요구
되고 있는데, 1998년말 Hot-Filament PECVD에 의해 미국 New York 대학
에서 강화유리기판 위에 처음으로 성공하였다. 그 후에 Stanford 대학
Dai그룹에서는 thermal CVD를 써서 porous Si위에 Fe처리한 후 수직으로
탄소나노튜브를 배향시켰다. 국내에서도 군산대, 서울대에서는 thermal
CVD, 성균관대에서는 HF-PECVD, 전북대 연구실에서는 microwave PECVD를
써서 현재 탄소나노튜브를 저온에서 수직성장시키고 있으며 탄소나노튜브
직경, 길이, 밀도, 성장률, tube wall수 등을 조절하는데 성공하였다.

- 한편 외국에서는 탄소나노튜브의 대량합성법 중 기상합성법을 이용하여
인도과학원의 C.N.R. Rao, 미국 켄터키대학의 A.M. Rao, 미국 라이스
대학의 Smalley 그룹에서는 여러가지 결과를 발표하고 있다. 특히
Oakridge의 기상합성법은 따로 금속촉매를 사용하지 않으며, 수율이
거의 100%이고, 상압에서 진행되므로 multiwall 나노튜브의 대량생산에
적합하며, HIPCO 기상합성법은 singlewall 나노튜브를 99%의 순도로
연속적으로 합성할 수 있다. 이미 미국의 Hyperion Catalyst 사에서는
수년전부터 multiwall 나노튜브를 하루에 300 kg씩 생산하고 있으며,
일본에서도 shinshu대학의 Endo교수를 중심으로 기상합성법의 pilot
테스트가 완료되었으며, 조만간 상업적 대량생산이 이루어 질 것이다.
또한 최근에 일본 Meijo대학의 Ando그룹에서 Arc plasma jet법을 이용한
대량합성방법과 미국 Berkeley 대학의 Zettl그룹에서 액체질소 용액
내에서 Arc-discharge 법을 이용한 대량합성법을 발표하고 있는 실정
이다.

- 나노튜브는 21세기의 나노테크놀로지를 선도하는 가장 중요한 재료
이므로, 한국이 이 분야의 선두그룹에 동참하기 위해서는 반드시 나노
튜브의 합성기술을 확보하여야 한다. 그러나, 선진국들은 이미 대량합성
기술을 확보하고 특허로 이를 보호하고 있으므로, 선진 연구의 단순
모방이나 변형만으로는 부족하며, 우리만의 원천합성기술을 개발하여야
할 것이다.

- 이에 대해서 국내의 기술동향을 살펴보면, 1997년에 특허출원건수는
전무한 상태이고 1998년부터 증가하기 시작하여 내국인 4건, 외국인
13건으로 총17건이며, 1999년도에는 급격히 증가하여 군산대 연구팀의
탄소나노튜브의 대량합성을 위한 화학기상 증착장치 등을 위시하여
내국인 50건, 외국인 15건으로 총65건이 출원되어서 국내의 연구개발도
활발히 진행됨을 알 수 있다. 그리고 2000년 3월기준으로 현재 총16건이
출원된 상태이며 올해말까지 70여건이상 출원되리라고 예상되고 있다.
올해초 특허청에서 나노테크분야의 산학연 관계자들 중심으로 이루어진
인터넷 커뮤니티 나노복합재료 신기술연구회 는 이미 회원이 90명에
달하고 있으며 서로간에 특허정보 및 산업분야에 대한 토론의 장으로
활용되고 있다.

- 한편 산업계에서는 (주)일진나노텍이 10개 학연기관들과 공동으로 합성
분야 및 응용분야에 이르기까지 빠르게 진행하고 있으며 현재 특허는
약55편 국내 출원되어 있고 해외출원은 미국, 일본, 유럽, 중국등에
약25편 출원한 상태이다. 최근에는 나노튜브의 양산기술을 확보하여
오는 9월경에는 일부제품 시험가동에 들어갈 예정이고 2002년에는 세계
시장을 목표로 양질의 대량생산계획을 하고 있다. 응용분야로는 우선적
으로 수소저장, 복합재료, 전지분야를 1차목표로 삼고 외국관련기관과
공동연구 중에 있으며, 차후에는 디스플레이분야에 참여할 예정이다.

- 국내의 에미터(emitter) 응용기술 개발은 지금까지 주로 FED 응용에
관심이 집중되어 있었다. 최근에 보고된 9인치 크기의 스크린 프린팅
법에 의한 초기수준의 FED 개발은 외국에 비해 손색이 없는 수준이지만
전반적인 에미터 응용을 비롯한 각종 응용연구 수준은 아직도 선진국에
비해 크게 뒤진 상태이다. 특히 FED 제작에 실제로 사용된 탄소나노
튜브는 외국에서 합성한 것을 구입하여 사용한 것이어서 국내에서
경쟁력있는 제품생산이 필수적으로 요구되고 있다.

- 국내의 탄소나노튜브의 대량합성과 응용기술을 선진국과 비교한 표3에서
보면, 우위에 있다고 판단되는 기술은 열CVD법에 의한 고순도 탄소나노
튜브 대면적 합성과 FED응용기술뿐이고 대부분이 열세에 있다고 본다.
그러나 대량생산방법에서는 기상합성법과 CVD법이 우선되고 있는 실정
이므로 이 분야에 대한 원천기술을 조기에 확보하고 신속한 사업추진을
한다면 2년내에 시장에서 경쟁력이 생길 수 있다고 판단되어 진다.

III. 결론

- 탄소나노튜브의 우수한 물성과 다양한 응용가능성으로 인하여 탄소나노
튜브는 차세대 전자정보산업분야에서 폭넓게 이용될 것으로 기대되고
있다. 따라서 미국을 위시하여 일본, 독일, 프랑스, 영국 등에서 21세기
첨단전자정보산업분야의 경쟁력확보와 고기능성 복합소재의 경쟁력
확보차원에서 국가적인 지원아래 탄소나노튜브의 합성 및 응용에 대한
연구가 추진되고 있으며, 특히 에미터 및 디스플레이 응용, 2차전지 및
연료전지, 나노 부품 및 시스템, 고기능 복합체 등에 관한 응용연구는
앞으로 더욱 활발하게 진행될 예정이다.

- 그 중 탄소나노튜브 응용을 위해 가장 먼저 선행되어야 할 기술은 대량
합성이다. 신소재 응용기술개발을 위해서 시료를 원활하게 공급할 수
있도록 국내기업이 빠른시간내에 대량생산에 성공하여야 하며, 따라서
현재 1g당 $100∼$1,000(고순도)이상의 비싼 가격을 수$로 낮출 수
있도록 경쟁력을 키워야 할 것이다. 나아가 특허를 통한 원천기술의
확보와 생산기술의 노하우를 지속적으로 축적하여 고품질의 제품을
제조하여야 하며, 복합적인 응용분야에 대한 대응도 동시다발적으로
이루어 진다면 Nanocomposite등과 같은 타분야에 미치는 파급효과가
아주 크다고 할 수 있을 것이다.

- 앞에서 언급한 탄소나노튜브 대량합성기술은 각종 전자방출원의 제작과
직결되어 있고 삼성종합기술원, 삼성SDI, LG 전자, 오리온전기 등의
디스플레이 전문업체가 이러한 응용에 커다란 관심을 가지고 있다.
현재 디스플레이시장에서 FED가 차지하는 규모는 2005년에는 10억불로
예상하고 있으나, 탄소나노튜브를 이용하여 대형 FED가 가능하면 노트북
PC등 소형 이동용 전자시스템에 탑재가 가능하여 디스플레이 시장규모가
2005년 400억불 정도로(SRI data) 확대될 것으로 예상된다. 이외에도
광기능성 소자 부품소재, 고성능, 저가격의 평판디스플레이, 캠코더용
view finder, 항공기 및 자동차의 계기판, 각종 휴대용 정보통신기기,
CRT, 컴퓨터 모니터 등에서 응용이 기대되고 있다.

* 국내외 관련 사이트

1. 군산대 이철진교수 연구팀 홈페이지(http://w3.kunsan.ac.kr/~semicon/)
2. 전북대 이영희교수 연구팀 홈페이지
(http://nanotube.chonbuk.ac.kr/~leeyh)
3. 나노복합재료 신기술연구회 (http://www.freechal.com/nano)
4. 미시간 주립대학 David Tomanek의 홈페이지
(http://www.pa.msu.edu/cmp/csc/nanotube.html)
5. 나노튜브합성회사 NanoLab Inc.(http://www.nano-lab.com/)

** 첨부자료

표 1. 외국의 탄소나노튜브의 합성과 에미터 응용에 관한 연구
표 2. 국내의 탄소나노튜브의 합성과 에미터 응용에 관한 연구
표 3. 탄소나노튜브 합성과 에미터응용에 관한 국내외 기술수준 비교


* 문의 : 심사3국 무기화학심사담당관실
반용병사무관. 전화 042)481-5566