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탄소 나노튜브(CNT)는 다양한 소재의 성능을 개선할 수 있는 엄청난 잠재력을 지진 나노미터 규모의 구조물이지만, 화학적 및 전기적 성질, 순도, 비용이 각기 다르고 독성에 대한 우려로 인해 여러 가지 과제가 대두되고 있습니다. CNT는 원통 모양의 sp2 혼성화 탄소 격자로 구성된 1차원적인 탄소 동소체입니다. 단일벽 CNT는 단순한 튜브 형태지만 다중벽 CNT는 동심 중첩 구조를 가지거나 두루마리처럼 말려 있습니다(그림 1).
이러한 나노 규모 소재의 경우 영률과 인장 강도가 높으며, 금속 또는 반도체에 대한 전기적 성질을 가집니다. 원자 배치(키랄성)가 이러한 소재의 전도성에 영향을 미치기 때문에 연구원들은 예전부터 합성 매개변수를 사용하여 예측 가능한 전기적 성질을 가지는 CNT를 생성하는 방법을 파악하기 위해 노력해 왔습니다. 지난 20년 동안 CNT의 합성을 위한 다양한 화학 기상 증착법(CVD) 기반 기술이 개발되면서 이러한 상황이 전보다 개선되었습니다.
전문가가 엄선한 세계 최대 규모의 과학 정보 간행물 컬렉션인 CAS Content Collection™의 분석 내용을 보면 알 수 있듯이, 특허 활동의 증가는 CNT의 상업적 활용에 대한 관심이 높아졌다는 사실을 보여 줍니다(그림 2).
배터리 기술 분야의 특허 증가
강도와 전도성이 우수한 CNT는 배터리 소재 분야에서 유용하게 사용할 수 있는데, 이 경우 충전 및 방전 주기 동안 기계적인 지원을 제공하여 전기 전도 경로 역할을 하면서 배터리 수명을 늘려 줍니다. CNT 관련 간행물을 분석한 내용에 따르면 학술지 간행물과 비교했을 때 특허 간행물에서 배터리를 약 세 배 더 많이 언급하는 것으로 나타났습니다. (그림 3)
이러한 간행물의 트렌드에는 CNT의 상업성과 점차 더 많은 EV 및 스마트 기기 배터리 응용 부문을 지원할 수 있는 CNT의 잠재력이 반영되어 있습니다. 중국, 한국, 미국에서 수많은 배터리 관련 특허가 출원되고 있는데, 이러한 지역은 가전제품 업계의 규모가 크고 전기 자동차 제조업체의 수가 많습니다.
CNT 간행물을 보면 여러 배터리 화학 반응으로 구성되어 있으며 리튬이온 배터리가 가장 큰 비중을 차지하지만 최근 몇 년간 아연이온 배터리 관련 간행물도 굉장히 빠르게 증가하고 있습니다. 아연이온 배터리에서 CNT는 다른 활성 음극 소재를 지지하는 기계적인 탄성과 유연성이 뛰어난 고표면적 전자 전도성 스캐폴드를 형성합니다. 그러면 주기가 반복된 후에 율속 특성과 잔존 용량이 개선됩니다.
또한 맥신 나노소재가 등장하면서 배터리 전극에서 맥신을 활용하는 방식에 대한 관심이 증가하였습니다. 이 경우 CNT를 사용해 맥신 시트 간의 간격을 제어해 리스태킹을 방지함으로써 이온 이동량을 개선할 수 있습니다. 또한 CNT-맥신 조합을 에너지 저장 부문의 슈퍼 커패시터에서 사용할 수도 있지만, 이러한 간행물에서 학술지의 내용을 주로 인용하고 있다는 점으로 미루어 보아 대규모 상업화는 아직 이르다고 할 수 있습니다.
합성물 부문의 꾸준한 성장
1990년대 초반에 처음 발견되었을 때부터 CNT의 주된 응용 부문은 합성물이었는데, 이러한 분야에서 기계적 강도와 열 및 전기 전도성을 향상시킵니다. CNT는 스포츠 용품부터 산업용 코팅제에 이르는 다양한 제품에 사용되고 있습니다. 오늘날의 CNT 간행물을 보면 히드로겔, 에폭시 수지, 그리고 재생 가능한 생분해성 중합체 폴리(젖산, PLA)를 포함하는 중합체와 관련해 CNT를 활용하는 사례를 인용하고 있습니다. 이러한 사례들 중 일부에서는 내구성이 약한 소재를 강하게 만들고 기계적으로 까다로운 응용 부문을 견뎌낼 수 있도록 돕기 위해 CNT를 사용합니다. (그림 6)
주목할 만한 다른 인용 사례로는 전자기 차폐를 위해 CNT를 중합체 매트릭스와 결합하는 경우를 들 수 있습니다. 합성물과 관련된 학술지 및 특허 간행물이 많다는 것은 상업적이고 보다 실험적인 부문에서 CNT 합성물 혁신의 성공 가능성이 높다는 것을 나타냅니다.
센서 및 생의학적 용도에 대한 연구계의 관심
CNT 연구가 아직 대대적인 상업화 단계에 도달하지 않았지만 큰 잠재력을 가지고 있는 두 가지 분야는 바로 센서와 약물 전달과 같은 생의학적 용도입니다. 센서는 CNT 관련 학술지 간행물에서 두 번째로 많이 언급된 응용 부문에 해당합니다. CNT는 화학적 센서와 기계적 센서를 지원할 목적으로 사용할 수 있으며, 여기에는 사람의 움직임을 감지하기 위한 긴장도 또는 압력을 측정하는 데 사용되는 센서가 포함됩니다. CNT는 우수한 강도와 종횡비, 전도성, 그리고 화학적으로 기능화가 가능해, 이러한 자극제를 변환 및 전달하는 데 유용하게 사용할 수 있기 때문에 이러한 기기들과 관련해 큰 잠재력을 가집니다.
CAS에서 분석한 내용을 보면 14%의 CNT 학술지 간행물이 센서와 관련되어 있었지만 특허 간행물은 단 7%만 관련이 있었습니다. 이 개발 단계에서는 실험실 규모에서 일부 센서를 제작할 때 더 많은 인력이나 고가의 소재가 있어야 해당 센서의 조립이 가능해, 상업성이 떨어질 수 있습니다. 또는 실험실에서 구상한 센서가 개념 증명 단계에 속하거나 향후 개발과 관련해 상대적으로 상업적인 관심도가 낮은 표적 자극제를 활용할 수 있습니다.
마찬가지로 CNT 학술지 간행물 중 9%가 생의학 부문과 관련이 있었지만 특허 간행물과의 관련성은 3%에 불과했습니다. CNT는 약물 전달 스텐트를 강화하기 위한 소재, 신경 카테터의 전도성 소재, 그리고 뼈 삽입물을 위한 항균성 및 구조적 소재로 사용되어 왔습니다. 이러한 응용 부문은 전도가 유망하지만 CNT는 순도, 크기, 형태에 따라 독성을 가질 수 있습니다. 따라서 상업화 전에 더 많은 임상 시험을 진행하여 CNT의 구체적인 생의학적 용도를 완벽히 분석해야 합니다.
환경 복원 부문을 위한 잠재력
고표면적과 우수한 화학 맞춤화 역량이 특징인 CNT는 흡착제를 비롯해 다양한 유형의 환경 오염물 제거 수단으로 적합합니다. 또한 공촉매를 사용한 변형 및 맞춤 과정을 거쳐 특정 오염 물질에 대한 반응성을 높일 수 있습니다. 예를 들어 CNT를 통해 강화한 란타넘-가돌리늄-철 페로브스카이트 산화물의 경우 CNT가 없는 페로브스카이트와 비교했을 때 페놀 레드 분해의 광촉매 작용이 개선되었습니다.
CNT를 폐수 처리용 흡착제로 사용할 수도 있습니다. CNT는 제거가 어려우며 수중 생물에 해로운 항생제인 시프로플록사신을 성공적으로 제거했습니다. 그 이후로 CNT와 바이오차의 환경 오염 물질 제거 성능을 비교하는 내용을 인용하는 경우가 크게 증가했습니다.
또한 CNT 및 환경 복원 관련 학술지 논문의 수가 특허 간행물보다 훨씬 더 많은 것으로 확인되었습니다. 높은 비용으로 인해 경제적인 측면에서 복원 활동이 불가능하기 때문에, 또는 효율성을 개선하기 위한 보다 기본적인 연구가 필요하기 때문에 이러한 차이가 발생할 수 있습니다.
극복해야 하는 CNT 관련 과제
CNT의 응용 부문에는 에너지 저장, 내구재, 전자 장치, 환경 복원, 그리고 생의학 기기를 비롯해 다양한 분야가 포함됩니다. CNT의 고유한 속성 덕분에 CNT를 다양한 제품에 유용하게 활용할 수 있지만 이러한 부문에서 높은 정밀도를 필요로 하면서 사용하기가 복잡해집니다. CAS가 분석한 내용에 따르면 합성 매개변수를 조정하여 크기와 키랄성을 제어하는 것에 대한 연구가 계속해서 활발히 이루어지고 있습니다. 키랄성이 CNT의 전기적 성질을 결정하기 때문에 이 연구가 이러한 과제들 중 몇 가지를 극복할 수 있는 방법으로 이어질 수 있습니다.
추가적인 연구, 특히 생체내 시험과 임상 시험은 과학자들이 생의학 응용 부문에서 독성 위험을 보다 잘 파악하는 데 도움이 될 것입니다. 이러한 CNT가 더 많이 만들어질수록 해당 CNT의 순도를 이해하고 제어할 수 있는 연구원들이 증가할 것입니다. 또한 생산 규모를 확장하면 오늘날의 비용 문제가 해결되면서 환경 복원 솔루션과 비용에 민감한 응용 부문들을 위한 CNT 개발 작업에 박차를 가할 수 있습니다.
연구를 방해하는 장애물들은 아직도 많이 남아 있지만, 지속적인 혁신을 통해 CNT가 가진 광범위한 상업적 잠재력을 실현할 수 있습니다.
