[Monthly Now] ‘꿈의 소재’ 탄소나노튜브 앞으로 기대되는 이유
[Monthly Now] ‘꿈의 소재’ 탄소나노튜브 앞으로 기대되는 이유
  • 박성래
  • 승인 2021.12.21 12:35
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Ⓒgettyimagesbank
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탄소나노튜브(CNT)는 이른바 꿈의 신소재로 주목받고 있다. 이는 탄소 6개로 이뤄진 육각형들이 서로 연결돼 관 모양을 이루는 튜브를 말한다. 즉 원통 형태의 신소재로 생각하면 된다. 튜브 벽의 개수로 인해 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브로 분류된다. 쉽게 말해 어떤 각도로 말려 있는지 또는 튜브의 지름 여부에 따라 전기적으로 도체가 되기도 하고 반도체가 되기도 하는 물질이다. 탄소나노튜브의 발전 가능성에 따라 글로벌 수요까지 폭발적으로 증가하고 있어 관련 업계들은 사업 전략을 넓히고 집중 투자 계획을 세우며 잇따른 행보로 바쁜 나날을 보내고 있다.

 

열전도율 높고 탄소성 우수

탄소나노튜브는 탄소로 이뤄진 탄소 동소체로 불리고 있다. 탄소나노튜브는 일본의 이지마 스미오 박사가 1991년 다른 물질을 합성하는 과정에서 흑연 전극에 달라붙는 검은 물질을 분석하는 과정을 통해 발견한 것으로 전해졌다. 최근 탄소나노튜브의 대량합성 목적이 크기 때문에 기상화학증착법(CVD)을 주로 사용하고 있다.

전도성이 우수하고 기계적인 물성을 가졌기 때문에, 이를 잘 활용하면 기존 물질에 비해 뛰어난 신소재를 얻을 수 있다. 탄소나노튜브는 전지 전극 재료와 섞이게 되면 전기적 특성이 높아진다. 또 고강도 플라스틱에 섞이면 잘 깨지지 않는 플라스틱을 제조할 수 있으며, 탄소나노튜브와 고분자를 섞고 실을 뽑아내 기존 탄소섬유보다 강한 복합 섬유도 제조가 가능한 것으로 알려졌다.

현재 탄소나노튜브의 사용 범위는 넓다. 전기도 잘 통하고 우수한 탄소성에 따라 실처럼 직조도 가능하기 때문이다. 현재 IT, 에너지, 디스플레이 소자 등을 삽입시킨 미래형 웨어러블 기기 플랫폼에도 사용하고 있다. 기존 반도체 소자가 실리콘 기반의 딱딱했다면, 이를 뛰어넘어 전자소자를 만드는 데 구부러져 필수 재료로 주목받고 있다. 또 알루미늄처럼 가볍지만 약간 무른 금속에 탄소나노튜브를 혼합해 복합체가 형성된다면 우수한 강도로 인해 가벼운 금속도 제조할 수 있어 자동차나 비행기, 우주선의 외형과 바퀴의 휠 등에 사용하고 있다.

 

배터리 필수에 수요 증가 커져

최근 업계에 따르면 배터리(이차전지)에서 전자가 빠르게 이동가능하게 하는 도전재로 사용되는 탄소나노튜브 증설이 이어져 주목된다. 양극(+)과 동시에 차세대 음극(-) 소재로 관심이 높은 실리콘 음극재까지 CNT 도전재 사용범위가 넓어지면서 일각선 수요 증가가 커질 것으로 전망하고 있다. 다만 현재 국내는 전기자동차 배터리의 수명과 충전시간 등 성능을 높이기 위해 탄소나노튜브 수요가 급증해 오는 2025년 공급부족이 발생할 가능성이 높아진 상태다. 주요 소재업체들은 생산능력을 확대하고 관련 기술 개발에 나서는 등 본격적으로 대응에 나선다는 계획이다.

LG화학은 내년 1월 여수에 탄소나노튜브 제3 공장을 착공한다는 계획을 밝혔다. LG화학은 전기차시장이 커지면서 배터리 수요도 늘어 도전재로 쓰이는 탄소나노튜브시장도 크게 확대될 것으로 전망하고 이에 착수한 것으로 분석된다. 2 공장과 같은 1200t 규모로 650억원이 투자될 것이란 게 사측 설명이다. LG화학은 3공장 건설까지 완성되면 탄소나노튜브 생산능력이 연간 2900t으로 늘어난다. 오는 2025년까지 현재 대비 3배 수준으로 추가 증설할 방침이다.

게다가 LG화학의 첨단소재부문 매출을 살펴보면 탄소나노튜브를 포함한 배터리소재가 차지하는 비중이 2020년 말 기준 30%에서 2021년 상반기 기준 40% 가량까지 늘려 이 사업에 힘을 실어주는 모양새다.

앞서 LG화학은 2011년 탄소나노튜브의 독자적 기술을 확보하기 위해 연구개발에 착수해 280여 건의 탄소나노튜브 관련 특허를 보유한 바 있다.

금호석유화학도 고객사 확대 진행을 위해 증설 검토 계획인 것으로 알려졌다. 특히 금호석유화학은 탄소중립 흐름에 맞춰 제품을 다변화하는 데 집중하고 있다. 지난해 전기차 배터리에 이용되는 탄소나노튜브 소재를 개발해 상업화에 성공했다는 평가다. 탄소나노튜브 소재 판매확대를 위해 연구개발과 품질 관리에도 매진하고 있다.

최근 SK에 흡수 합병된 SK머티리얼즈 경우 반도체, 배터리 소재 등 차세대 기술 선점을 위해 2025년까지 51000억원을 첨단 소재 분야 투자에 나선다. 글로벌 첨단 소재 기업으로서 시장 가치를 높이기 위해 추진된 이 계획 중 탄소나노튜브 도전재 등 고기능 음극용 부재료 영역 투자 확대가 주목받고 있다. 탄소나노튜브 시장 진출을 위해 일본 업체와 합작 공장 설립을 협의하고 있다. 목표는 2023년 가동이다.

기업들이 탄소나노튜브 증설과 진출 검토에 집중하는 배경은 전기차 시장 성장이 이유다. 전기차 시장과 함께 배터리 내부에 도전재 역할을 하는 탄소나노튜브 수요도 커지고 있기 때문이다. 에너지 전문 시장조사기관 SNE리서치에 따르면 2025년부터 다중벽 탄소나노튜브 공급 부족 현상이 나타날 수 있다고 전망했다. 탄소나노튜브 수요처에서 배터리의 비중도 지난해 42%에서 202458%까지 늘 것이라고 덧붙였다.

 

시장 전망 낙관적 비쳐

탄소나노튜브 시장의 전망은 세계뿐만이 아니라 국내에서도 밝다. 야노경제연구소에 따르면 지난해 세계 탄소나노튜브 시장은 출하량 기준 3265t으로 집계됐다. 이 중 다중벽 탄소나노튜브는 99.5%3250t를 차지했다. LG화학과 금호석유화학 등 또한 다중벽 탄소나노튜브를 생산에 집중하고 있다. 실제 관련업계에서는 탄소나노튜브 도전재시장은 2020년 기준 87억 원 수준에서 202524천억 원 규모까지 급격하게 성장할 것으로 전망하고 있다.

미래 산업의 핵심 신소재 후보로 꼽히는 탄소나노튜브의 향후 전망도 낙관적이다. 과거 시장 성장이 지연돼 주춤했지만, 최근 공급과 수요 측면의 이슈들이 해결되면서 각 기업들도 탄소나노튜브 사업화가 진전되고 있기 때문이다. 기업별로 앞으로 관련 투자는 물론 개발에 더욱 집중할 것으로 전망된 가운데 경쟁이 점차 치열해질 전망이다.



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