작은 기술, 큰 기회

30년 전에 과학자들은 단일 벽 탄소 나노튜브를 최초로 제어 합성하는 데 성공했습니다. 그 이후로 이러한 나노튜브는 직물과 스포츠 용품부터 배터리와 태양 전지에 이르기까지 다양한 제품에 활용되었습니다. 사용처가 점점 더 많아지면서, 나노튜브의 활용 가능성에 대한 관심도 높아졌습니다.

연구원들은 고유한 속성을 가진 이 물질의 새롭고 혁신적인 활용처를 찾기 위해 노력하고 있습니다. 활용처를 찾는다면 재생 에너지, 약물 전달 등 다양한 분야에 중요한 발전을 이룰 수 있습니다. 여러 업계에서 탄소 나노튜브가 가지는 가능성은 무궁무진합니다.

단일 벽 탄소 나노튜브란 무엇인가요?

단일 벽 탄소 나노튜브는 그래핀과 유사한 단일 탄소 원자 시트로 생각할 수 있으며 튜브 모양으로 말려 있습니다. 일반적으로 진공로에서 생성되는데, 촉매를 가지는 기질이 탄소를 포함하는 가스 전구체와 상호 작용합니다. 이러한 전구체가 촉매 기질에 반응하면서 반도체 제조 분야에서 필름을 생산하는 것과 유사한 공정을 거쳐 나노튜브가 생겨납니다.

단일 벽 탄소 나노튜브를 만들기 위한 제어 반응의 발표는 1991년 다중 벽 탄소 나노튜브의 발견된 이후에 진행되었습니다. 다중 벽 나노튜브는 기계적, 전기적 속성에 다양한 변화를 줄 수 있기 때문에, 과학자들은 특성을 보다 잘 제어하기 위한 단일 벽 버전의 개발을 이어갔습니다. 단일 벽 나노튜브의 합성을 가능하게 만든 핵심적 요소는 바로 증착 공정에서 촉매 입자를 사용하는 것이었습니다.

탄소 나노튜브의 경우 탄소 원자 사이의 결합력이 강합니다. 인장 강도는 강철보다 높으며, 무게가 가볍고 열 전도가 가능할 뿐 아니라 다른 물질과 함께 사용하거나 다른 나노규모 물질과 결합해 관련 속성을 활용할 수 있습니다.

또한 단일 벽 탄소 나노튜브의 전기적 속성도 굉장히 흥미로우며 구조에 대한 의존성이 높습니다. 길이에 따른 나선의 비틀림 정도를 나타내는 키랄성에 따라 금속처럼 완전한 전도성을 띠거나 반도체성을 가질 수 있습니다. 키랄성은 기질을 토대로 생성되는 튜브마다 다르며 각각의 나노튜브가 반도체성을 가졌는지, 아니면 금속과 같이 전도성을 띠는지 결정합니다.

단일 벽 탄소 나노튜브의 현재 용도

높은 강도와 가벼운 무게 같은 독특한 속성을 가진 단일 벽 탄소 나노튜브는 복합 물질에서 중요한 역할을 합니다. 일반적으로 방탄복, 테니스 라켓과 자전거 같은 스포츠 용품, 그리고 배와 요트 같이 내구성이 뛰어난 물건을 만들 때 사용합니다.

또한 탄소 나노튜브의 전기적 속성은 다양한 가능성을 제시하며, 이미 EV용 리튬이온 배터리 같이 대중을 위한 전자 제품을 만드는 데 사용되고 있습니다. 최근 진행한 연구 결과를 보면 해당 유형의 배터리와 관련해 탄소 나노튜브가 전극의 전력 제공 역량과 수명을 개선시켜 주었습니다. 또한 강도가 높은 탄소 나노튜브는 배터리 전극이 충전/방전 사이클 및 굽힘과 관련해 기계적 응력을 보다 잘 견뎌낼 수 있도록 돕습니다.

혁신 기회

단일 벽 탄소 나노튜브는 배터리 기반 에너지 저장소와 재생 에너지 외에도 수많은 용도로 활용할 수 있습니다. 자연어 처리를 사용해 진행한 CAS Content Collection™ 분석 결과가 최근 ACS Nano에 공개되었는데, 몇 가지 흥미로운 트렌드와 상관관계를 확인할 수 있습니다.

발표된 학술지와 비교했을 때, 특허에서 배터리, 영상 촬영, 전자기 차폐를 비롯한 몇몇 활용 분야가 차지하는 비중이 더 컸습니다. 따라서 해당 분야의 상업적 잠재력이 더 크다고 볼 수 있습니다. 최근 몇 년 동안 EV 채택률과 리튬이온 배터리 관련 수요가 증가하고 있는데, 이러한 현상은 배터리 특허 출원서에서 단일 벽 탄소 나노튜브의 언급 비중이 크게 늘어난 것과 일맥상통합니다.

다른 분야들은 학술 연구가 더 활발히 진행되고 있습니다. 활발히 연구가 진행되는 영역의 예로 포토닉스와 태양 전지를 들 수 있으며, 수소 저장소의 경우 규모는 작지만 계속해서 성장하고 있습니다. 나노튜브는 표면적이 넓기 때문에 수소 가스를 효율적으로 흡수하여 오랜 세월 존재했던 저장 문제를 해결할 수 있습니다. 나노튜브 표면에 나노입자를 추가하면 수소에 대한 반응을 더 많이 끌어내 나노튜브의 흡수율을 더 높일 수 있습니다.

연구원들은 단일 벽 탄소 나노튜브의 다른 이용 사례와는 큰 차이가 있는 약물 전달과 같은 생의학 분야에도 주목하고 있는데, 이러한 분자가 맞춤 의학과 관련해 중요한 역할을 할 수 있습니다. 웨어러블 기기와 이식형 신경기술 기기가 개발되면서 나노튜브의 향상된 전도성을 활용하는 이식형 전극 기술도 생의학 분야에 또 다른 혁신을 불러올 수 있습니다.

이러한 분야는 안전성, 효율성, 일관성에 대한 더 많은 연구와 입증을 필요로 하지만, 단일 벽 탄소 나노튜브가 제시하는 과학적 가능성이 얼마나 무궁무진한지 잘 보여 줍니다.

나노기술의 엄청난 잠재력

지난 30년 동안 단일 벽 탄소 나노튜브는 기본적인 실험실 연구 대상에서 시작해 수많은 업계에서 활용하는 혁신적인 상용 기술로 발전했습니다. 이제 이 탄소 나노튜브는 에너지 전환, EV의 진화, 심지어 맞춤 의학 분야에서 핵심 요소로 자리잡았습니다.

나노튜브와 새로운 나노물질들은 계속해서 새로운 미래를 만들어 나갈 것입니다. 지속 가능한 바이오소재 대체제와 생의학 분야의 3D 프린팅 같은 새로운 사용처를 시작으로, 이러한 혁신은 앞으로도 그 속도에 박차를 가할 것입니다.