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글 : 한종훈 박사 / 나노소재·공정그룹 그린에너지연구센터


전자부품연구원 / www.keti.re.kr

 

CNT 고분자 복합소재는 CNT(Carbon Nanotubes)의 우수한 물성을 활용하여 기본적으로 낮은 표면저항을 가지면서 열전도성, 투명성, 고강도, 난연성, 광택성, 내화학성 특성 등을 복합적으로 구현할 수 있는 제품을 창출할 수 있다.

CNT 고분자 복합소재는 최근 나노기술의 고도화에 따라 차세대 제품에서 요구하는 투명성과 유연성의 물성을 부합시킬 수 있는 유력한 신소재로써 각광을 받고 있으며, 다양한 신규제품의 구현이 CNT 고분자 복합소재 기반 위에서 실현될 수 있으며 향후 수년 이내에 국가 산업기술 경쟁력을 획기적으로 강화할 수 있는 소재 분야이다.

고전도성 CNT 고분자 복합소재는 상용 PET, PC, PE, PEEK 등과 같은 고분자 소재에 전도성을 부여하기 위해 CNT 전도성 첨가제가 고분자 매트릭스 혹은 고분자 필름 상에 고르게 분산되어, 내열성 및 내화학성과 같은 고분자 고유의 성질을 유지하면서도 도전성을 가진 나노소재 기반 복합소재이며 최종 제품의 유형별로 크게 벌크형, 박막형, 섬유형 형태로 구분할 수 있다.

그림 1에서 박막형 CNT 고분자 복합소재의 경우 PET와 같은 플라스틱 기판 상에 전도성 CNT 박막이 형성된 타입으로서 유연성(flexibility), 투명성, 대면적, 휴대성, 가벼움, 저가의 모든 특성을 확보할 수 있는 신규개념의 투명전극으로서 에너지, 디스플레이, 일렉트로닉스 응용의 플렉서블 소자 분야에서 새로운 시장이 기대되며, 최근 차세대 모바일 기기의 차세대 투명전극으로써 전 세계적으로 큰 주목을 받고 있는 분야이다. 전도성 CNT 고분자 복합소재는 향후 NT-IT-BT-ET 융합 분야에서 신기술, 신상품으로 출현할 가능성이 매우 높으며 차세대 의료기기, 디지털 컨버전스, 자동차/조선, 반도체와 같은 다양한 분야로 활용이 기대된다.

벌크형 CNT 고분자 복합소재는 온라인 페인팅을 위한 펜더, 도어 핸들, 미러 하우징 등의 차량용 플라스틱 외장재, 연료 라인/탱크, 퀵 커넥트, O 링, 펌프 모듈 등의 차량용 연료시스템 등의 자동차 산업에 현재 시험 적용 혹은 일부 제품화 되고 있으며, 컴퓨터 및 반도체 산업에 CNT 고분자 복합재가 적용된 부품 및 제품들이 향후 시장에서 크게 활성화 될 전망이다. 또한 반도체, IC 패키징, 가전, 전자부품 등에서의 방열문제를 효율적으로 해결할 수 있는 고열전도성의 CNT 고분자 점액형 중간재 형태의 제품이 앞으로 시장에서 크게 주목을 받을 것으로 예상된다.

섬유형 CNT 고분자 복합소재는 최근에 들어서 관심을 갖는 특성들인 방수, 방염, 방화, 방열, 방전 제품 뿐 아니라 전류를 통하거나, 초고강도, 초고탄성, 초고흡수, 및 극한의 열과 불에 견딜 수 있는 섬유나, 빛 투과성이 있는 섬유, 역삼투 섬유, 이온 또는 가스 교환 섬유, 자가 점착 섬유(self adherence)등에 활용될 수 있는 분야이다.

이 글에서는 다양한 CNT 고분자 복합소재 분야 중에서 최근 주목받고 있는 박막형의 CNT 고분자 복합소재 및 벌크형의 한 종류인 열전도성 CNT 고분자 복합소재의 관련 산업 동향에 대해 논하고자 한다.

산업 동향

시장 동향

최근 컴퓨터와 각종 가전기기, 통신기기가 디지털화 되고 고성능화됨에 따라 대화면 및 휴대 가능한 플렉서블 소자 구현이 절실히 요구되고 있는 상황이며 현재까지 사용되고 있는 ITO 투명전극은 진공증착, 에칭 등 고가의 장비 및 부식성 화공약품을 사용하고 있고 원료물질인 인듐이 자원고갈에 의한 생산량이 한정되어 있기 때문에 CNT 복합소재의 박막형인 차세대 CNT 투명전극 제조기술이 관련시장에서 강력히 요구되고 있다. 현재 소규모 시장규모의 일부 제품에서 상용화가 시도되고 있지만 아직 본격적인 시장은 형성되어 있지 않다. 미국의 기업체인 에이코스는 SWCNT를 이용하여 투명전도성 박막을 개발해 ‘Invisicon’이라는 상품명으로 투명전도성 박막 제품을 출시한 바 있다.

박막형 CNT 고분자 복합소재는 투명전도성 필름의 용도로 크게 활용될 것으로 전망되며, 투명전도성 필름은 현재 약 90% 가까운 범위에서 터치패널로 사용되고 있다. 모바일 기기 등 터치패널 탑재 기기의 수요 확대에 따라 매년 그 사용량이 증가하고 있으며, CNT 고분자 투명박막 필름(이하 CNT 투명전극)은 우선적으로 터치패널과 같은 기존 시장분야에서 개발진척 정도에 따라 급격한 대체가 이루어질 것으로 예상된다. CNT 투명전극은 디스플레이 분야, 태양전지용 전극, 스마트 윈도우, RFID용 배선 등의 다양한 플렉서블 일렉트로닉스 분야에 파급효과가 클 것으로 예상되기도 한다. 태양전지 산업은 향후 5~10년간 연평균 두 자리 수 이상의 고도성장을 기록할 것으로 기대되고 있는 신성장 산업으로 그 응용 분야 또한 우주개발, 통신시설, 항공보안, 주택가전, 자동차 등 다양하다.

고열전도성 CNT 고분자 복합소재는 CNT의 뛰어난 열전도 특성(max. 6,000W/mK)을 이용한 소재로써 고분자와 함께 마이크로 크기에서의 열전도성, 열방사성, 전기전도성을 극대화한 것으로 그 가공기술에 따라 다양한 형태의 소재, 부품으로 형상화 될 수 있다. 이 소재는 점액형(viscous)으로 일반적으로 고체와 액체의 중간형태의 페이스트형 재료이다. 대표적인 제품 적용처 중 하나인 LED 조명시장의 경우 고휘도 LED 발열문제를 해결하여 패키징의 간소화에 따라 제품의 신뢰성 확보, 제품수명의 확보 및 가격 경쟁력 확보 등으로 이를 적용할 수 있는 열전도성 소재의 채용이 본격화 될 것으로 전망된다. 그림 2에서와 같이 LED 칩과 열 히트싱크 사이에 열 인터페이스 소재(TIM)로써 CNT 열전도성 페이스트가 사용될 수 있으며, 히트싱크를 대체하여 방열소재로써 CNT 복합소재가 이용될 수 있다.

현재 LED 조명제품은 주로 3W급을 여러 개 사용하여 필요한 휘도의 조명제품을 개발하고 있으나, 3W급의 제품에 채용된 각종 방열부품의 크기는 고급제품 및 본격적인 조명제품에 적용하기에는 아직 대형이며, 패키징의 크기를 줄이기 위해서는 5W급의 고휘도 LED가 채택될 수 있는 방열부품 개발이 필수적이다.

전체 열관리소재는 다우 케미컬, 존슨 매티, 베이클라이트, 알코아, 로드, 스미토모, 신에츠, 선하야토 등 미국과 일본 기업이 독점적으로 공급하고 있으며, 2000년 시장 규모는 3250억 달러, 시장 성장률은 연 13%이다. 2000년도 시장의 구성비는 컴퓨터관련 39%, 통신장비 26%, 산업 및 가전 22%, 국방 및 자동차가 13%로 대부분 시장이 확대되는 첨단산업 관련이다. 열관리 소재를 사용한 IC 패키지의 66%를 일본과 한국을 비롯한 극동지역에서 조립생산하고 있으나, 일본을 제외하고 한국, 대만 등은 열관리 소재의 80% 이상을 수입에 의존하고 있다.

세계 최고 수준의 정보·전자기기 제조공정 기술에 비해 국내 IT 관련 소재산업은 극히 취약하며 체계적인 연구개발체제가 확립되지 못했고, 여타 첨단소재산업과 마찬가지로 선진국의 기술 장벽이 매우 높은 실정이다. 최근, 고성능 전자부품에 대응할 열관리소재의 개발차원에서 CNT와 같은 고열전도성 소재가 주목을 받고 있다.

기술 동향 

CNT 투명전극은 투과도 대비 전도특성에 따라 그 응용분야가 크게 달라지게 되는데, 전기적 특성에 따른 투명전극의 응용분야를 표 1에 나타냈다.

CNT 투명전극은 미국과 일본에 의해서 주도되고 있는데, 특히 미국의 기업체인 에이코스는 SWCNT를 이용한 투명전도성 박막을 개발하여 수많은 관련 특허를 출원하였을 뿐만 아니라 Invisicon짋이라는 상품명으로 투명전도성 박막 제품을 출시하기도 했다. 미국의 유니다임은 CNT 제조업체였던 CNI와 합병하여 플렉서블 일렉트로닉스용 SWCNT 투명전도성 전극을 개발하였으며, 터치스크린, LCD 및 OLED에서 사용되는 ITO 투명전극을 대체하기 위해 적극 노력하고 있다.

최근 유니다임은 삼성전자와 협력하여 세계최초로 CNT를 이용한 컬러 액티브 매트릭스 EPD(electrophoretic display)를 출시했다.

유니다임은 기존의 ITO를 대체할 뿐만 아니라 CNT 박막을 적용할 수 있는 모든 분야에 응용이 가능하다고 발표하였으나 에이코스와 비교하여 박막의 특성이 다소 결여되는 것으로 보이며, 현재의 기술 단계는 터치스크린까지 적용할 수 있는 것으로 보인다. 그림 4에 유니다임이 제시한 전도도와 투명도의 관계를 예로 나타내었다.

유니다임이 제시한 최초 박막 물성에서는 도핑하지 않은 SWCNT 박막임을 강조하고 있는데, 위 그림에서와 같이 CNT에 또 다른 전도성 물질을 도핑하고 CNT 정제를 부가적으로 실시하며 결정성이 좋은 CNT를 사용할 경우 투명도와 전도도가 향상한다는 가상적인 물성을 제시하고 있다.

일본의 경우는 미쓰비시 레이온에서 SWCNT 투명전도성 전극을 제작하여 발표하였으나, 박막의 물성이 미국의 에이코스나 유니다임에는 미치지 못하고 있다. 그러나 한 단계 레벨 업 할 경우 상기 미국 업체와 필적할 만한 상태까지 도달할 것으로 예측된다. 유럽에서는 20개 기업과 연구기관 및 대학들이 모여 만든 ‘FlexDis’ 프로젝트 등을 통해 플렉서블 디스플레이 개발을 위한 노력을 하고 있으나, 핵심소재인 CNT 투명전극의 경우는 최근 CNT 양산에 착수한 독일의 바이엘 및 프라운호퍼 등 소수 연구팀이 투명전극 개발에 노력하고 있는 것으로 보인다.

국내에서는 CNT 투명전극에 대한 연구개발이 대기업, 연구소, 벤처기업 등에서 활발히 진행되고 있다. 특히, 탑나노시스, 상보 등 일부 벤처기업을 중심으로 CNT를 응용한 터치스크린 적용목적의 투명전극용 박막 기술개발이 이루어지고 있다. 최근 탑나노시스는 내구성과 전도성, 투과도가 향상된 터치스크린용 CNT 투명전극의 시제품을 발표하였으며, 이를 박막 전극의 대량 생산으로 이어가기 위해서 CNT 대면적 코팅을 위해 지속적인 개발을 진행 중이다. 그림 5는 탑나노시스에서 CNT 투명전극을 활용하여 LED 조명과 결합한 제품의 사진을 보여주고 있다.

최근 상보는 한국전기연구원으로부터 투명전극에 대한 기술이전을 통해 상용화를 꾀하고 있다. 디피아이솔루션은 차세대 정보 디스플레이기술 개발사업단 연구를 통해 유기 디스플레이용 CNT 투명 전극의 개발과제를 수행하여 상당한 성과를 얻은바 있다. 표 2는 CNT 투명전극에 관한 국내외 동향을 정리하였다.

열전도성 CNT 고분자 복합소재와 관련하여 국내 방열관련 소재를 제조하는 회사는 거의 없으며, 클라스타 인스트루먼트에서 CNT 복합재를 이용한 방열도료를 개발하여 가전제품에 적용중이며, 일창프리시전, 휘닉스피디이 공동으로 알루미늄 페이스트를 이용한 태양열전지 방열부품, 메모리 방열부품 등을 개발 및 사업화를 추진하고 있다.

현재 국내는 체계적인 열 관련 기반 인프라 구축이 미흡하여 이는 새롭게 개발된 소재에 대해서도 적용 가능성을 어렵게 하는 요인이 되고 있다. 일창프리시전과 휘닉스피디이가 알루미늄 페이스트를 이용한 고열전도성 냉각솔루션에 대해서 메모리 방열판과 태양열전지 방열부품으로 개발하기 위해 공동연구를 진행하고 있다. 클라스타 인스트루먼트에서 CNT를 이용한 알루미늄 히트싱크용 방열도료를 개발하여 일부 상용화했으며(그림 6), 추가적인 제품에 대한 개발을 진행하고 있으며, 접착제 등 2차원 형태 및 준 3차원에서 고방열, 고열전도성을 구현할 수 있는 CNT 복합체를 연구하고 있다.

결론

한국을 비롯한 세계 각국에서 바이오 의약분야, 반도체/디스플레이, 나노센서, 연료전지 등 많은 분야에서 CNT의 응용을 위한 연구가 활발히 진행되고 있지만 실질적으로 CNT의 상업화는 소재차원에서 인더스트리얼 스케일에 대응하여 용도에 맞게 CNT 양산여부 능력에 의존하고 있다. MWCNT의 경우 미국의 하이페리온, 일본의 미쓰이, 쇼와-덴코에서 연간 수백 톤의 생산능력을 갖추고 있다.

대부분의 전기전자, 디스플레이, 반도체 분야에 사용될 수 있는 SWCNT 소재는 아직까지 양산과는 거리가 먼 상황이다. 현재 CNT 기반 융합부품의 본격적인 상용화를 위해서 CNT 소재 가격 및 부품수준에서의 기술적 문제가 남아 있지만 가까운 미래, 즉 5~10년 이내에는 다기능성 CNT 고분자 복합소재, 투명 전도성 필름, 프린팅을 위한 CNT 기반 코팅액 혹은 잉크 등의 분야에서 맞춤형 CNT의 저가공급과 기술적 이슈들이 해결될 전망이다.

미국 일본에 이어 세계 3위 수준의 나노기술을 보유한 한국의 기업들도 조만간 본격적인 CNT의 응용제품들인 투명전극, 전도성 페이스트와 전도성 고분자 복합재 마스터배치, LCD의 백라이트유닛, CPU 등의 방열재, 연료전지 등을 시장에 출시될 것으로 전망된다.

현재 공급되고 있는 CNT의 순도 및 치수에 대해 정확한 정보나 규격화할 수 있는 시스템이 정립되지 않아 표준화 작업이 절실히 요구되고 있으며 최근 국내외적으로 CNT 관련 표준화의 논의가 매년 개최되고 있어서 향후 표준화와 함께 CNT 고분자 복합소재 기반의 융합부품 및 제품 개발의 가속화가 예상된다.