일반기술

탄소나노튜브 용해기술 및 이의 응용기술

[기술개요]본 기술은 다양한 용매에 용해될 수 있는 탄소나노튜브 유도체 및 이의 합성 방법에 관한 것으로서, 상기 탄소나노튜브 유도체는 양전하로 대전된 탄소나노튜브에 상대음이온이 이온 결합되어 있는 구조를 가진다. 상기 상대 음이온은 Br, Cl, F, 또는 I와 같은 단일 원소로 구성된 음이온, PF6-, NTf2-(bis{(trifluoromethyl)sulfonyl}amide), OTf-(trifluoromethylsulfonate), 또는 BF4-와 같은 3 ~ 17족 원소 중 하나 이상의 음이온성 원소를 함유하는 음이온 화합물, 옥소 음이온, 유기산으로부터 유도된 음이온, 아미노산으로부터 유도된 음이온 또는 음이온을 포함하는 고분자성 화합물 등 모든 종류의 음이온을 포함한다.본 기술의 탄소나노튜브 유도체는 온화한 반응 조건에서 빠르고 간단하게 합성될 수 있으며, 용해도가 높고 안정할 뿐만 아니라 넓은 용매 범위를 갖는다. 또한, 대기 중의 산소나 습기와 반응하지 않아 안정할 뿐만 아니라, 기계적 또는 전기적 특성에 결정적 영향을 주는 구조적 변형이 거의 없다. 나아가, 본 기술의 탄소나노튜브 유도체의 음이온은 간단한 방법에 의해 다른 음이온으로 교환 가능하므로, 탄소나노튜브의 용해가 요구되는 용매의 종류에 따라 자유로운 용해성질 변환이 가능하다.[기술의 특징과 효과]전기적·기계적 특성이 뛰어난 탄소나노튜브를 산업·기술적으로 응용하기 위해서는 이를 수용액 또는 유기용매에 분산시키는 과정(프로세싱)이 필요하지만, 지금까지는 탄소나노튜브의 강한 소수성과 나노튜브 간 분자들의 상호 인력 때문에 쉽지 않았다.양전하로 대전된 탄소나노튜브에 상대음이온이 이온 결합되어 있는 구조를 가지는 본 기술의 탄소나노튜브 유도체는 다음과 같은 특징을 가지고 있다.첫째, 상기 탄소나노튜브에 이온 결합되어 있는 상대 음이온은 상술한 바와 같이 간단한 방법에 의해 다른 음이온으로 치환 가능하므로, 용매의 종류에 따라 자유로운 용해성질 변환이 가능할 뿐만 아니라 용해도가 높고 안정하다.둘째, 본 기술의 탄소나노튜브 유도체의 제조방법은 빠르고 간단하게 합성할 수 있다. 즉, 상온에서 약30분 ~ 3시간 동안의 반응만으로 제조할 수 있으므로 탄소나노튜브의 기계적 또는 전기적 특성에 결정적 영향을 주는 구조적 변형이 거의 없다.[응용분야]탄소나노튜브의 지름을 조절하면 도체(導體)에서 반도체(半導體)로 바뀐다. 이를 이용하면 기존 실리콘의 1만 배인 테라바이트(TB, 1테라바이트=1024기가 바이트)급 집적도를 가진 메모리 칩 설계가 가능하다는 사실이 밝혀졌다. 로봇·자동차·항공기·인공위성 등 첨단 장치의 수명을 연장하고 연료를 획기적으로 절약할 수도 있다. LED보다 효율이 100배 높은 빛을 내는 성질을 이용하면, 두께가 극히 얇고 전력 소모가 극히 적은 브라운관을 만들 수 있어 차세대 디스플레이 소자로 꼽힌다. 또한 차세대 에너지원으로 뜨고 있는 수소 연료 전지 분야의 활용 가능성도 주목 받고 있다. 전지 무게와 충전 효율을 획기적으로 증대시킬 수 있기 때문이다. 자동차 배터리와 충전용 건전지·노트북 컴퓨터·휴대폰에도 쓰일 수 있을 뿐만 아니라, 단위 질량당 전하 저장능력이 뛰어나 수소 저장 장치의 핵심 소재가 될 것으로 예측된다.기타 우주복과 같은 초강력 섬유 재료로 쓰일 수 있는 등 의류·패션 산업의 신소재로 기대를 모으고 있고, 전기 전도율과 강도가 우수해 초미세 기계장치의 부품·가스 흡착성센서·탄소와 생체 조직과의 친화성을 이용한 의료용 장치 부품·도료 등 활용분야는 무궁무진하다.[시장환경]탄소나노튜브가 속해 있는 나노기술(NT)은 1980년대 일본이 민간 차원에서 연구하던 분야였으나, 2000년 초에 미국의 클린턴 대통령이 미래를 주도할 기술로 지목하고 집중적인 투자계획을 발표하면서부터 전세계적인 관심의 대상이 되었으며, 각국이 정부차원의 개발체제를 구축하면서 치열한 경쟁체제에 돌입해 있다. 본 기술과 관련된 업체들로는 탄소나노튜브를 이용하여 소자를 생산하는 업체인 미국의 Nano-lab 등과 탄소나노튜브를 벌크 단위로 사용하여 전자파 차폐 기능을 갖게 하는 특수도료업체들이 있으며, 이외 자체적으로 생산하여 연구용으로 소비하고 있는 연구소가 다수 있는 것으로 알려지고 있다.용도측면에서 보면 분야가 확대될 가능성은 많지만, 아직까지 용도개발이 충분히 이루어지지 않은 상태이며, 일부 Atomic Force Microscopy (AFM)의 Microscope probe tips와 전자파차폐 도료용으로만 사용되고 있다. 따라서 탄소나노튜브의 용도개발이 계속적으로 이루어지고 분산화 기술 등의 상용화가 진행된다면 탄소나노튜브의 사용량도 급격히 증가되고, 영향을 미치는 분야 또한 확대될 것으로 기대된다.[시장규모]탄소나노튜브의 경우 연구용 수요가 대부분이고, 전자파 차폐용 특수 도료 등 특수 용도의 이용만이 이루어지고 있는 실정이므로 아직 시장 규모도 크지 않고, 연구용 재료의 경우 수년간 사용할 것을 미리 발주하기도 하기 때문에 연간 수요량을 예측하는 것이 용이하지 않다.그럼에도 불구하고 세계시장 규모는 2000년에 270만 달러, 2001년에는 502만 달러, 2002년에는 1억 2000만 달러로 급성장하였으며, 2007년까지 평균 성장률 98%를 유지하고 있다.또한 일본 經團連의 조사에 따르면, 일본의 나노기술 시장규모는 2010년에는 320조원에 달할 것으로 추정되고 있고, 미국 나노조합이 예측하는 2010년 나노기술 산업 규모는 1조달러(약 950조원). 핵심 소재로 꼽히는 탄소나노튜브 시장 규모는 6조원대로 추산된다.