나노 (수학)

나노(nano, 기호: n)는 "10억분의 1"을 의미한다. 숫자로 표시하면 0.000000001 또는 10⁻⁹ 라고 표시할 수 있다. 나노는 SI 단위계에서 10⁻⁹을 나타내는 접두어이다. 나노는 밀리(milli, 10-3)와 마이크로(micro, 10-6) 다음에 오는 말이다. 한자로는 진(塵). 1 나노미터(nm)는 10억분의 1 미터로, 대략 원자 3~4개를 줄세운 길이와 같다. 나노(nano)라는 단어는 고대 그리스어로 '난쟁이'를 뜻하는 νᾶνος(nanos)에서 유래됐다. 나노머신의 경우처럼 나노미터 규모의 크기를 갖는 사물 이름에 접두어로 붙기도 한다.

나노 기술

SI 접두어

나노기술(Nano Technology; NT)은 10억분의 1미터인 나노미터 크기의 원자, 분자 및 초분자 물질을 합성하고, 조립, 제어하며 혹은 그 성질을 측정, 규명하는 기술을 말한다. 대부분 일반화된 나노기술의 정의는 '국가나노기술개발전략 (NNI: National Nanotechnology Initiative)'이 적어도 1~100 나노미터의 크기를 가진 물질을 다루는 기술이라 정의했으며 일반적으로는 크기가 1 내지 100나노미터 범위인 재료나 대상에 대한 기술이 나노기술로 분류한다. 나노 기술은 표면 과학(Surface Science), 유기 화학(Organic Chemistry), 분자 생물학(Molecular Biology), 반도체 물리학(Semiconductor Physics), 미세 제조(Microfabrication) 등의 다양한 과학 분야에 포함되어 이용되는 범위가 매우 넓다. 나노 기술은 의학, 전자 공학, 생체재료학 에너지 생산 및 소비자 제품처럼 광대한 적용 범위를 가진 새로운 물질과 기계를 만들 수 있지만 한편으로 많은 문제를 야기할 수도 있다고 한다. 따라서 이러한 걱정은 나노기술의 특별한 규제가 정당화되는지 여부에 대한 권리 옹호 단체와 정부 간의 논의로 이어지고 있다.

나노 배터리

나노배터리는 100나노미터, 10⁻⁷미터 미만의 입자 형태로 나노스케일 기술을 이용해 제작된 배터리다. 이러한 배터리는 나노 크기 혹은 매크로 스케일 배터리에서 나노 기술을 사용할 수 있다. 나노스케일 배터리는 나노포어 배터리와 같은 매크로 배터리 기능을 할 수 있다.

기존 리튬이온 배터리 기술은 5~20마이크로 미터(5000~20000나노미터) 크기의 입자가 100배 이상 되는 산화 코발트나 산화망간 등 활성 물질을 사용한다. 나노 공학이 볼륨 확장과 전력 밀도 등 현재 배터리 기술의 많은 단점을 개선할 수 있다.

나노 기술의 장점

나노 기술을 사용하여 배터리를 제조하면 다음과 같은 이점이 있다.

• 배터리에서 사용 가능한 전력을 늘리고 배터리 재충전에 필요한 시간을 단축한다. 이러한 이점은 전극 표면을 나노 입자로 코팅하여 전극 표면적을 늘려 전극과 배터리 내부의 화학물질 사이에서 더 많은 전류가 흐를 수 있도록 함으로써 가능하다.
• 나노소재는 배터리를 사용하지 않을 때 배터리 내의 액체로부터 전극을 분리하는 코팅으로 사용할 수 있다. 최신 배터리 기술에서는 액체와 고체가 상호 작용하여 낮은 수준의 방전을 유발한다. 이렇게 하면 배터리의 저장 수명이 줄어든다.

나노 기술의 단점

나노 기술은 배터리에 자체 과제를 제공한다.

• 나노 입자는 밀도가 낮고 표면적이 높다. 표면적이 클수록 표면에서 공기와 반응 할 가능성이 높아진다. 이것은 배터리의 재료를 불안정하게 만드는 역할을 한다.
• 나노 입자의 밀도가 낮기 때문에 입자 간 저항이 높아 재료의 전기 전도율이 저하된다.
• 나노소재는 제조가 어려워 원가가 상승한다. 나노소재는 배터리의 성능을 크게 향상시킬 수 있지만 제조비용이 많이 들 수 있다.

배터리 나노소재

• 이산화티타늄(TiO2) : 흑연을 대체할 음극소재로 주목받고 있다. 차세대 리튬이온 배터리 음극재로 떠오른 이산화티타늄은 격자 사이사이에 리튬을 저장할 수 있다는 장점이 있다. 흑연보다 싸고 안정적이며 친환경적이다. 하지만 기존에 이산화티타늄을 음극으로 사용한 리튬이온전지 용량은 이론 용량의 절반 수준에 그쳤다. 국내 연구진은 수 ㎚(나노미터·1㎚는 10억 분의 1m) 크기의 이산화티타늄 나노입자의 크기와 구조를 바꿔가며 다양한 구조를 합성하면서 리튬이온수송 과정을 분석했다. 그 결과 용량이 극대화 되는 최적의 구조를 찾아냈다. 이산화티타늄 입자가 속이 빈 구 형태를 이루는 집합체를 형성할 때 가장 안정적이고 효율적으로 리튬이온을 저장했다. 이렇게 만든 리튬이온전지는 용량이 기존보다 30% 크고 500회 이상 충·방전을 반복해도 성능을 그대로 유지할 수 있다.

• 탄소나노튜브(CNT) : 배터리 음극재용 도전재로 나노신소재가 세계 최초로 상용화했다. 영어로는 carbon nanotube. 약어로 CNT. 간단히 Buckytube라고도 한다. CNT 도전재는 기존 도전재보다 배터리의 안전성, 효율성, 경제성 측면에서 우위이다. 탄소나노튜브는 수 나노미터 지름의 크기에 속이 빈 원기둥 모양의 탄소소재로 상호작용에 의한 다발 구조를 가지고 있다. 탄소나노튜브에 리튬 이온을 저장할 수 있어 배터리 소재로 사용가능하지만 저장 효율이 낮다는 단점이 존재한다. 낮은 저장 효율의 요인은 탄소나노튜브의 표면 부반응에 의해 리튬 이온이 소모된다는 점이 꼽혔다. 울산과학기술원(UNIST)는 이상영∙곽상규 에너지및화학공학부 교수 연구팀이 탄소나노튜브에 리튬이 갇히는 원리를 규명해 물속에서도 안전하게 리튬을 저장하는 기술을 개발했다.

• 그래핀 : 가장 주목받고 있는 나노 소재이다. 그래핀은 나노 소재가 가지고 있는 장점의 총집약체다. 그래핀 하나로 여러 물질들의 이점을 충족시킬 수 있는 것이다. 실제 그라파이트(Graphite, 흑연으로 그래핀은 흑연의 여러 탄소층 중 한 층을 나타낸다)는 많은 배터리 내 소재로 사용되고 있으며, 이 그라파이트 전극을 사용하는 시스템 또한 개발돼 있다. 그래핀은 지금까지 알려진 소재들 중 가장 전기 전도성과 전하이동성이 높다. 인장강도와 유연성도 높으며, 고온과 강한 화학 물질에서도 안정적이다. 이는 대부분의 나노 소재, 벌크 소재보다 높다. 이처럼 그래핀은 환경의 영향을 받지 않고 같은 성능을 유지할 수 있는데, 이와 같은 물성은 배터리가 열의 영향을 받지 않는다는 의미이기에, 매우 중요하다. 또한, 단일 층의 그래핀은 광학적으로 투명한데, 이는 투명 전극이나 투명 전도성 필름 등에 사용될 수 있다. 이외에도 그래핀은 다양한 곳에 이용될 수 있으며, 그 특성과 잠재력은 많은 사람들에게 인정받고 있다. 때문에 업계는 전 세계적으로 그래핀 생산과 적용을 준비하고 있으며, 이는 다양한 형태로 규모에 따라 생산될 수 있을 예정이다. 특히, 원자재 측면에서 다른 나노 소재보다 확장성이 뛰어나기에, 더욱 실용적이다.

나노와이어

나노와이어는 금속을 비롯한 다양한 물질을 단면의 지름이 1나노미터(10억분의 1미터)인 극미세선으로 만드는 기술이다. 배터리에서는 양극 또는 음극 재료를 나노와이어 형태로 구성할 수 있다. 기존 리튬이온 배터리의 전극 구조는 2D 형태지만 나노와이어 배터리는 3D 형태다. 부피가 팽창해도 충격을 흡수하는 구조로 설계할 수 있게 되는 것이다. 또 활물질과 집전체 등을 겹겹이 쌓는 대신 구조를 단순화해 에너지 용량과 충전 속도를 높일 수 있다.

참고자료

• 〈나노〉, 《나무위키》
• 〈나노〉, 《위키백과》
• 〈나노기술〉, 《위키백과》
• C-Biz봇, 〈(강세 토픽) 2차전지 - 소재·부품 테마, 나노신소재 +12.48%, 새로닉스 +8.36%〉, 《조선비즈》, 2020-08-03
• 고재원 기자, 〈탄소나노튜브 이용해 리튬 금속배터리 안정성 높이는 기술 개발〉, 《동아사이언스》, 2019-06-27
• 송경은 기자, 〈나노입자로 리튬이온전지 용량 30%높였다〉, 《동아사이언스》, 2018-12-10
• 배유미 기자, 〈차세대 배터리의 핵심이 될 그래핀 배터리〉, 《테크월드뉴스》, 2020-03-11
• 박효정 기자, 〈테슬라, 배터리 데이에 선보일 신기술은 ‘나노와이어’?〉, 《서울경제》, 2020-08-25

같이 보기

• 그래핀
• 이산화티타늄
• 탄소나노튜브

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