탄소소재

탄소소재는 지구 상에 가장 흔한 자원 중 하나인 탄소로 이뤄진 소재이다. 탄소소재는 매우 가볍고 강하며, 전기 및 열 전도성이 우수해 수소차, 항공, 2차 전지, 고급 소비재 등 4차 산업혁명을 선도할 핵심 소재로 꼽힌다. 현재 탄소 소재 분야는 이미 수십 년 이상 투자해온 일본, 미국, 독일 3국이 원천기술과 생산을 독점하고 있는 상황이다. 최근엔 중국도 이 분야에 대한 대규모 투자를 계획 중이다.

개요

탄소소재는 원유·철강 부산물 등 탄소원료로 제조된 소재로 고강도, 고전도성 등 우수한 특성을 갖고 있어 기존 소재의 기술적 한계를 뛰어넘는 신소재이다.

탄소소재는 신재생에너지의 변환 및 저장장치에서 핵심 소재로 기능한다. 예컨대 수소 자동차가 가능하기 위해서는 수소를 저장하는 장치, 수소의 산화반응 장치 등이 하나의 연료전지 시스템으로 구성되어야 하는데 여기에 탄소소재가 전체 소재의 거의 70~80%를 차지할 만큼 대량으로 또 긴요하게 사용되고 있다. 일본의 경우 NEDO 프로젝트를 통해 자동차 무게를 현재보다 30~40% 정도 더 줄임으로써 현재의 연료 소비량을 10% 이상 절감하려는 연구가 한창 진행 중이다. 최종 목표 달성을 위해 나노 빨대인 탄소나노튜브 및 나노 필름인 그래핀 등을 주목하고 있는데 그 이유는 나노튜브와 그래핀의 무게 대비 역학적 성질이 그 어떤 소재보다 월등하게 뛰어나기 때문이다. 이런 특성을 최대한 활용하면 심지어는 우주 엘리베이터용 케이블도 가능할 것으로 예측되어 NASA에서는 이에 대한 연구도 활발하게 하고 있는 상황이다. 탄소소재, 특히 나노빨대로 알려져 있는 탄소나노튜브는 이런 우주 엘리베이터용 케이블을 만드는데 있어 없어서는 안 될 핵심 소재로 알려져 있다.

'철 무게의 4분의 1 이하이면서 강도는 10배 이상'. 일반적으로 탄소섬유를 이렇게 표현한다. 탄소섬유는 항공, 자동차업계에서 각광받는 첨단 신소재다. 무게를 줄여 연비를 높이기 위해선 필수적인 선택이다. 환경문제가 전 세계 이슈로 부각되면서 탄소섬유복합소재는 친환경차 개발에 다양한 소재로 등장했다. 우수한 강성, 내부식성, 내열성 등으로 후드, 루프, 트렁크 리드, 플랫폼과 같은 차체를 구성하고 있는 부품에 주로 적용되고 있다.

또한 탄소재료는 그 어떤 것과도 잘 융화되고 그 자체적으로도 독특한 모양과 성질을 가지는 특성 때문에 21세기의 핵심 단어로 등장한 융합과 통섭을 물질적으로 구현할 수 있는 핵심원소로 인식되고 있다.

특성

일반적으로 소재는 성분이나 응용분야에 따라 분류한다. 소재 성분으로 분류할 경우 통상적으로 금속, 화학, 세라믹으로 나눌 수 있다. 탄소소재는 이 중 어느 영역에 속할까? 질문하면 대답이 쉽게 나오기 어렵다. 굳이 넣는다면 세라믹에 속할 것이지만, 탄소소재는 세 가지 분류 이외에 네 번째 영역으로 생각하는 경우가 많다. 탄소소재의 특성 자체가 화학, 금속, 세라믹 소재에 비해 다분히 복합적이기 때문이다. 즉, 일반적으로 화학 소재는 가벼운 대신 금속만큼 외부 충격에 강하지 않거나, 전기가 잘 통하지 않는다. 금속 소재는 외부 충격에 강한 대신에 상대적으로 무겁고, 화학적 내성이 크지 않다. 세라믹 소재의 경우 가볍고 강도도 상대적으로 크나 전기를 통하지 않거나 성형이 어려운 등의 특성을 가지고 있다. 각각의 소재들이 기술 발전에 따라 점차 상대방의 고유 영역을 침범해 가고 있지만 아직은 제한적이라 고 할 수 있다.

이에 반해 탄소소재는 세 가지 소재들의 고유 특성을 두루 지니고 있다. 철과 같은 금속에 비해 강도는 몇 배 높으면서 보다 가볍다거나, 아니면 화학적 내성이 크 면서도 전기를 잘 통한다던가 등이다. 이러한 것이 가능한 이유는 탄소 원자가 배치된 구조에 따라 물질 구성이 다양해질 수 있기 때문이다. 예를 들면 같은 탄소소재 인 흑연과 다이아몬드를 놓고 보면 흑연은 전기가 잘 통하지만, 다이아몬드는 반대로 전기가 전혀 통하지 않는 것이다. 어찌 보면 탄소소재는 1만 년 전 인류의 유적에서 목탄(木炭)이 발견된 것처럼 오래 전부터 존재했으면서도 진정한 가치를 제대로 인식하지 못했던 소재라고 할 수 있다. 그러나 최근 들어 나노 기술의 발전에 따라 기존의 탄소소재 이외에도 풀러렌, 탄소나노튜브, 그래핀 등이 등장하면서 다시 한 번 탄소소재의 가능성이 주목의 대상이 되고 있다.

탄소 기반 복합소재

탄소 기반 복합소재는 탄소 고유의 특성인 금속대비 경량화 특성 외에 전기전도성, 열전도성, 고강도, 난연성, 물질차단성(barrier 특성), 내화학성, 투명성, 친환경성 등의 다양한 탄소 특성을 가짐으로써 이를 고분자, 금속 등의 다른 기능성 소재와 융합하여 한 가지 소재로 여러 가지 기능을 구현할 수 있는 핵심 소재이다.

6대 탄소소재

6대 탄소소재 개념 및 수요산업

탄소소재의 산업연계성

흑연

그리스어로 '쓰다(Write)'의 의미를 갖는 Grafein에서 유래한 흑연(Graphite)은 크게 광산에서 채굴해서 사용하는 천연흑연과 인위적으로 만드는 인조흑연으로 나눌 수 있다. 흑연은 오래 전부터 지금까지 꾸준하게 리튬 2차전지의 음극활물질로 사용되고 있다. 흑연, 무정형 탄소, 그래핀, 실리콘, 주석, LTO, 티타늄 전이 금속 등 많은 소재가 연구되고 있지만 그중에서 흑연이 가장 매력적인 음극 소재로 여겨지고 있다. 이유는 여러 가지가 있다. 뛰어난 가역 용량, 우수한 전도성, 우수한 전위차 그리고 가장 중요한 가격까지도 우세다. 흑연은 아주 규칙적인 형태로 탄소Carbon가 결합된 하나의 층이 여러 겹 쌓인 층상구조이다. 리튬이온이 양극에서 음극으로 이동하는 충전 과정에서 음극에 도달한 리튬이온은 흑연층 사이에 저장된다. 그런데 이때 리튬이온이 들어간 흑연은 팽창되어 미세하게 부피가 늘어나게 된다. 이것이 반복되면 점차 구조 변화를 일으켜 배터리 수명도 감소하게 된다. 배터리 수명에 있어서도 음극재가 중요한 요인 중 하나이다.

활성탄

활성탄(Activated Carbon)은 대나무, 야자잎, 톱밥 등을 태워서 만든 탄소소재이다. 주거 공간에 냄새를 없애는 탈취제나 장을 담글 때 쓰는 숯 등이 이에 해당된다. 이런 기능을 할 수 있는 이유는 무엇일까? 그것은 활성탄(숯) 표면에 마이크로미터 이하 크기의 기공들이 매우 많이 형성되어 있어 그 기공들이 오염물질이나 악취를 일으키는 미세 물질을 붙잡는 역할을 하기 때문이다. 선조들이 장을 담그면서 숯을 같이 넣는 이유도 장 안에 발생하는 잡균들이 숯의 기공 속에 갇혀 부패를 막는 역할을 하기 때문이다. 정수기 안에 들어가는 여러 종류의 필터 중 하나에도 활성탄이 담긴 필터가 들어있어서 1차적으로 정수 역할을 담당한다. 정수기를 넘어서 상수도 처리장에서 오염물질과 악취 제거 등 고도 정수 처리를 위해 활성탄 의 사용이 늘고 있다. 현재 활성탄이 가장 많이 쓰이는 곳은 석탄화력발전소로 배기스에서 중금속 수은을 잡아내는 역할을 한다. 석탄화력발전소 비중이 50%가 넘는 미국을 비롯한 여러 나라에서는 배기가스 기준이 강화됨에 따라 활성탄을 채용하는 수요가 증가할 것으로 전망하고 있다. 이외에도 활성탄을 반도체 공정에서 발생하는 화학 가스를 포집하거나 군사용 방독면 등에 사용되고 있다. 활성탄 업체는 국내의 경우 15개 업체가 있어 흑연 소재처럼 메이저 기업들이 존재하기 보다는 다수의 기업들이 경쟁하고 있는 상황이며 성숙된 시장인 만큼 급격한 성장은 제한적일 것으로 보인다.

카본블랙

카본블랙(Carbon Black)은 석유정제 과정에서 나오는 물질(납저유) 또는 석탄 슬러리에서 생성되는 물질(크레오스트 오일)을 불완전 연소 또는 열분해 해서 만든 것이다. 95%가 타이어, 호스 등 고무제품의 충격보강재로 사용되며 그 외에도 프린터 토너 등 흑색 안료, 건전지 소재 등으로 사용되고 있다. 국내의 경우 카본블랙 생산은 에보닉카본블랙, OCI, 콜럼비안케미컬 등 3개사 체제이며 원료 대부분을 수입하다 보니 국제유가 등에 따른 가격 변동성이 존재하는 상황이다.

탄소섬유

탄소섬유는 이름 그대로 탄소 성분으로 이뤄진 실 형태의 소재로서 보통 폴리아크릴로나이트릴(PAN) 이라는 석유화학제품이나 석유찌꺼기 피치(Pitch)를 원료로 하여 실 형태로 만든 뒤 이것을 탄화시켜 만든다.

그래핀

그래핀(graphene)은 탄소의 동소체 중 하나이며 탄소 원자들이 모여 2차원 평면을 이루고 있는 구조이다. 영어로 'graphene'은 흑연을 뜻하는 'graphite'와 탄소이중결합을 가진 분자를 뜻하는 접미사 '-ene'를 결합하여 만든 용어이다. 각 탄소 원자들은 육각형의 격자를 이루며 육각형의 꼭짓점에 탄소 원자가 위치하고 있는 모양이다. 이 모양을 벌집구조(honeycomb structure) 또는 벌집격자(honeycomb lattice)라고 부르기도 한다. 그래핀은 원자 1개의 두께로 이루어진 얇은 막으로, 두께는 0.2 nm(1nm은 10억 분의 1m) 즉 100억 분의 2m 정도로 엄청나게 얇으면서 물리적·화학적 안정성도 높다.

탄소나노튜브

탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT)는 탄소 6개가 육각형을 이룬 흑연면(graphite sheet)이 관 모양으로 연결되어 있는 분자 사슬이다. 씨엔티(CNT)라고도 한다. 탄소나노튜브는 기계적 강도가 철보다 100배가량 뛰어나면서도 구리와 비슷한 수준의 높은 전기전도도를 지니고 있다. 또한, 높은 열전도율을 지니고 있으며, 분자 사슬이 말려있는 구조에 따라 금속 또는 반도체의 물리적 성질을 나타내기도 한다. 이러한 특성 덕분에 배터리, 반도체, 세라믹, 페인트, 코팅, 필름 등 다양한 분야에 성능을 향상하는 첨가제로 사용하고 있다.

참고자료

• 소재 기술 혁신의 Enabler 탄소소재 - http://www.lgeri.com/uploadFiles/ko/pdf/ind/LGBI1106-23_20100817125404.pdf
• 임현빈 기자, 〈'탄소소재' 산업 키운다...친환경 4차 산업혁명 선도〉, 《YTIMES청년신문》, 2020-06-22
• 박종래 서울대 재료공학부 교수, 〈(과학칼럼) 신재생에너지의 핵심 `탄소소재`〉, 《디지털타임스》, 2011-04-07

같이 보기

• 탄소섬유
• 흑연
• 그래핀
• 탄소나노튜브
• 카본블랙
• 활성탄소

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