핵심 탄소소재 상용화 기술 자립화 수요시장 창출 기대
탄소소재 관련 생산·투자 국내기업에 세제 감면 혜택도 있어...

조만간 탄소소재 산업생태계에 성장판이 활짝 열릴 조짐이 보인다.
현재 탄소산업이 세계적으로 부품, 소재, 정보기술 등 다양한 분야에서 비약적인 발전 양상을 보이고 있다.
특히 항공기제품에 탄소소재의 사용 중량은 약 25%, 슈퍼카의 경우10%, 리튬전지 180kg 기준 약 15%의 사용률을 갖고
있다.
하지만 국내에서는 중간 원료를 비롯 대부분의 탄소소재를 해외에서 수입하고 있어 독자적인 제조기술 확보가 시급한 상황이다.
특히 참상코크스, 인조흑연, 탄소섬유 둥 핵심 탄소 중간 원료와 소재는 일본 및 미국기업 등이 세계 시장의 약 80%를 차지하고 있는 현실이다.
이에 따라 지난 2014년 11월 26일 산업통상자원부와 한국화학연구원 등 12개 산·학·연·관은 탄소산업생태계 조성을
위한 협약·체결했다.
이번 협약은 탄소 중간원료와 소재기술의 국내자립화 및 수요시장 창출을 위해 석탄, 석유 등 기초원료부터 중간원료와 소재를 개발해 탄소제품으로 이어지는 연계형 탄소산업 생태계를 조성하기 위함이다.
따라서 기초 원료에서 탄소제품군까지 이어지는 연계형 생태계 조성이 중요해진 것이라는 말이다.
산업통상자원부 박청원 산업정책실장은『올해(2015년)부터 탄소 중간 원료와 소재에 생산·투자하는 기업은「산업발전
법」제5조에 의거 법인세, 소득세 등 조세 감면(초기 3년간 100% 면제, 이후 2년간 50% 감면, 지방세 15년 이내 감면)과 한국산업은행 운전자금 대출 지원 혜택도 받을 수 있다』고 강조했다.
이번 협약을 계기로 수요기업의 판로와 교두보를 마련에 큰 효과를 얻을 수 있을 것으로 예상된다. <정경원 기자/ press@iunews.co.kr>

탄소 나노튜브의 저온 대량합성기술 개발 돼...
탄소 나노튜브의 활용에 시너지 효과 줄 것으로

별도의 완충층이 필요 없는 탄소나노튜브의 대량 합성 방법이 개발됐다
탄소나노튜브는 우수한 물리적, 화학적 그리고 전기적 특성으로 인하여 다양한 분야에서 차세대 응용재료로써 각광을 받고 있다.
탄소나노튜브를 합성하기 위한 방법은 다양한 방법이 있다. 그 중 하나가 열화학기상증착법(CVD)으로 이 방법은 대면적으로 균일한 미세구조를 갖는 탄소나노튜브를 합성시킬 수 있다는 장점을 가지고 있다.
이러한 CVD방법으로 탄소나노튜브를 합성하기 위해서는 전이금속의 촉매가 필요하며 탄소를 함유한 원료가스를 분해하기 위해서는 고온의 공정이 필연적으로 요구된다.
또한 고온으로 열처리된 촉매금속은 나노 입자화 되어 탄소나노튜브의 핵이 생성하고 성장하기 위한 장소로서의 역할을 한다.
이렇듯 탄소나노튜브 합성을 위한 CVD 공정은 촉매의 나노입자화 및 원료가스의 효율적 분해를 위하여 고온에서 이루어져야 하는데 기존에는 700℃ ~ 900℃ 부근에서 합성이 이루어졌다.
또한 나노전자소자 및 전계방출표시소자(FED)의 기판으로 주로 사용되는 유리 기판은 변형온도가 650℃ 정도이므로 현재 소자의 전기배선으로 주로 이용되는 알루미늄의 용융점이 700℃ 정도라고 알려져 있기 때문에 이 분야에 탄소나노튜브를 직접 합성시키고 응용하기 위해서는 저온 공정이 필수적으로 요구된다 할 수
있겠다.
지금까지 탄소나노튜브의 저온합성을 위해서는 플라즈마 화학기상증착법(PECVD)이 주로 이용되어 왔다.
그러나 이러한 플라즈마 공정은 공정 중에 이온조사에 의하여 탄소나노튜브의 구조가 손상되고, 플라즈마 공정의 대면 적화에 어려움이 있으며 또한 이에 따른 생산량이 제한되는 등의 문제점이 있다.
한편 실리콘 웨이퍼 등의 합성기판 위에 탄소나노튜브를 합성하는 경우 촉매금속과 기판재료 사이의 합금화를 방지하기 위하여 일반적으로 실리콘 산화막 및 알루미늄 산화막 등의 완충층을 증착하여 사용하게 된다.
그러나 이러한 방법은 전계방출소자(FED)와 같은 탄소나노튜브의 높은 전도성이 요구되는 분야에 있어서는 특성이 저하된다.
금속기판을 산화열처리와 플라즈마 처리를 혼합한 전처리 공정후에 열화학기상증착법을 통하여 탄소나노 튜브를 합성할 경우 저온에서도 탄소나노튜브를 합성시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한 이와 같은 전처리 후의 열화학기상증착법에 의하여 탄소나노뉴브를 합성할 경우 탄소나노튜브의 합성수율을 대폭 향상시킬 수 있다.
그리고 이와 같은 전처리 후의 열화학기상증착법으로 탄소나노튜브를 합성할 경우 촉매금속을 함유한 금속들을 적용함으로써, 별도의 금속촉매를 증착하는 공정 없이도 양호한 물성을 갖는 탄소나노튜브를 합성할 수 있다.
또한 이와 같은 전처리 후의 열화학기상증착법으로 탄소나노튜브를 합성할 경우 사용할 금속기판은 별도의 촉매 증착 공정 없이도 재사용이 가능함으로 인하여 대량생산이 가능하여 매우 경제적이다.
그리고 이와 같은 전처리 후의 열화학기상증착법으로 탄소나노튜브를 합성할 경우 기판상에 산화막 완충층을 증착하지 않기 때문에 성장된 탄소나노튜브와 금속기판간의 계면은 전기 전도성 및 기계적 접착강도가 향상되는 기술적 효과가 있다.
또한 플라즈마 전처리 공정에서 플라즈마 인가전압을 제어할 경우 탄소나노튜브 수율을 제어할 수 있는 기술적 효과를 얻을 수 있다.
이 기술은 지난 2013년 9월 25일 등록된 발명의 명칭-「탄소 나노튜브의 저온 대량합성 방법」등록번호 10-1313746으로 하는 기술이다.

기계적 강도가 향상된 탄소나노튜브
탄소나노튜브의 기계적 강도를 높이기 위한 후처리 방법 개발

탄소나노튜브섬유 고유의 우수한 전기·열적 물성을 유지하면서 기계적 물성이 향상된 고기능성 탄소나노 섬유의 제조 방법이 제안됐다.
탄소섬유시장은 오는 2018년 국내 2억7천2백만 달러, 세계 38억 7천만 달러의 규모를 형성할 것이라는 전망이다.
탄소섬유는 기존의 항공우주 분야는 물론 자동차 분야와 풍력 발전 블레이드 등의 에너지용 뿐 아니라 자전거 및 보트 등의 고급 스포츠용품에의 적용 또한 확대될 예상으로 관련 업계의 주목을 받을 것으로 생각된다.
이러한 상황에 따라 지난 2014년 12월 17일 초경량 고강도 복합소재 기술이전 설명회에서 한국과학기술연구원 구본철 박사는 기계적 강도가 향상된 탄소나노튜브 후처리 방법에 대한 기술을 발표했다.

구 박사는 이 기술은 벤젠그룹의 cross-linker의 도입을 통한 All-carbon 구조의 탄소나노튜브섬유를 제조하는 기술이며, 탄소나노튜브섬유의 고유의 우수한 전기·열적 물성을 유지하면서 기계적 물성이 향상된 고기능성 탄소나노섬유의 제조방법이라고 밝혔다.
즉 벤젠그룹을 cross-linker로 사용하여 순수한 탄소물질로만 이루어진 고강도의 탄소나노튜브섬유를 제조하는 것이며, 벤젠그룹의 cross-linker의 도입으로 인해 탄소나노튜브를 구성하는 탄소나노튜브간의 계면에서의 결합력이 향상되어 고장도의 탄소나노섬유를 제조한 것이라고 설명했다.
이러한 물리적 특성을 갖게 되어 향후 전전도성 고분자 탄소섬유, 금속의 적용이 불가능한 전도성 섬유의류 분야에의 기술응용이 기대된다고 설명했다.
또한 전기전도도, 비표면적 내열성, 내화학적 특성을 이용한 슈퍼커페시터, 이차전지의 음극재료에의 적용이 높아질 것으로 확신했다.
한편 신율이 증가함에 따른 저항의 변화를 이용한 strain sensor 분야에 이용될 것으로 전망했다.
게다가 높은 기계적 물성을 요하는 구조용 복합재료, 자동차, 우주항공용 소재분야에의 활용이 높아질 것으로 전망했다.