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디스플레이 업계에서는 현재 원가 절감, 공정 절감의 바람이 거세게 일고 있다. 이런 상황을 돌파하기 위한 방안 중의 하나로 거론되고 있는 것이 나노 기술의 도입이다. 실제로 나노 기술은 반도체 업계와 디스플레이 업계에서 이미 연구가 진행되어 왔다. 예를 들면 TFT-LCD 제조 공정과 반도체 공정의 상당 부분을 차지하는 리소그라피 공정을 대체할 수 있는 나노 임프린팅 기술이 있으며, PDP 전극용으로 쓰이는 나노 잉크에도 역시 나노 기술이 적용되고 있다. 그 중 가장 많은 주목을 받고 있는 것이 이른 바 ‘꿈의 신소재’, ‘21세기 나노 기술의 보석’이라 불리는 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube: CNT)이다.

 

탄소나노튜브의 구조

(Source : KETI, ‘CNT 생산 및 응용분야 사업화 동향’)

 

1. 탄소나노튜브가  ‘꿈의 신소재’, ‘21세기 나노 기술의 보석’이라 불리는 이유는 무엇인가?

 

탄소나노튜브는 1991년 일본 NEC 부설 연구소의 이지마 스미오 박사가 전기 방전법을 이용하여 흑연 음극상에 형성시킨 탄소 생성물을 분석하는 과정에서 처음으로 발견하였다. 우연히 발견된 탄소 동소체, 탄소나노튜브는 하나의 탄소가 다른 탄소 원자와 육각형 벌집 무늬로 결합되어 돌돌 말린 튜브 형태를 이루고 있다. 튜브의 직경이 나노미터 수준인 자연계에서 가장 가는 튜브이며, 그 지름이 머리카락의 10만분의 1에 달한다. 또한 다이아몬드보다 강한 물질로 알려져 있다.

 

‘머리카락보다도 훨씬 가늘면서, 다이아몬드보다 강하다.’ 이 두 가지 장점만으로도 탄소나노튜브는 상당히 매력적인 물질이다. 탄소나노튜브는 그 구조가 하나의 튜브로 이루어진 싱글 월, 두 개의 튜브가 겹쳐진 더블 월, 그 이상의 튜브로 이루어진 멀티 월 구조가 있으며, 또한 뿔 형상을 이루고 있는 나노 혼도 존재한다. 이런 구조 별로, 또한 커팅하는 길이 별로 탄소나노튜브는 그 성격이 달라지는 이른바 ‘천의 얼굴’을 가진 물질이라고 할 수 있다.

 

탄소나노튜브의 응용분야

 

Source: Top Nanosys

 

탄소나노튜브의 구조에 따른 물성이 어떻게 달라지는지 한번 살펴보도록 하자.

 

탄소나노튜브의 물성

 

특성	SWNT	MWNT	비고
직경(nm)	1.2~3	5~100	E-beam litho. Line width; 50nm
장력(Gpa)	~45	<50	High strength alloy; ~2
신장 탄성률(TP)	5.5	0.4~3.7
밀도(g/cc)	1.33~1.40	-	Al : ~2.7
저항(ohm·㎝)	10x10-4	5.1x10-6 ~5.86	Cu: 1.7 x 10-6 In-plane graphite : 3.8 x 10-5
전류밀도(A/㎡)	~109	-	Cu : 106A/㎡
전계 방사 turn-on voltage(V/㎛)	0.7~2	1~5	Mo tip : 50~100
열 전도율(W/m·K)	Max. 6,000	Max. 3,000	다이아몬드 3,300W/m·K
작업 함수(eV)	4.6~4.8(4.4)

Source: KETI, ‘CNT 생산 및 응용분야 사업화 동향’

 

위의 표에서 알 수 있듯이 탄소나노튜브는 알루미늄보다 낮은 밀도와 구리보다 높은 전기 전도도, 다이아몬드보다 높은 열 전도율을 가지고 있다.

 

2. 디스플레이 업계에서 탄소나노튜브를 주목하는 이유는 무엇인가?

 

그러면 이렇게 특별한 특성을 지니고 있는 탄소나노튜브가 디스플레이 업계에서 어떻게 이용될 수 있는지, 어떤 파급 효과를 지니고 있는지에 대해 알아보도록 하자.

 

1) ‘차세대 평면 브라운관’ FED (Field Emission Display)

디스플레이 업계에서 가장 먼저 탄소나노튜브에 대한 연구가 진행된 것은 FED 쪽이 아닐까 생각한다. 이미 LCD와 PDP가 디스플레이 시장을 주도 하고 있으나, LCD는 광원이 필요하다는 아킬레스 건을 가지고 있으며, PDP 역시 전력소모와 열이 문제가 되었다. (허나 이 단점들도 하나 둘 개선되고 있다.) 그러한 맥락에서 살펴보면, 부담스러운 덩치만 제외한다면 CRT야말로 가장 이상적인 디스플레이일지도 모른다.

 

이러한 CRT의 장점과 평판 디스플레이의 장점을 하나로 모은 것이 바로 전계방출 디스플레이라 불리는 FED이다. 차세대 평면 브라운관이라고도 불리우는 FED는 CRT 수준의 화질과 저렴한 제조비, 높은 발광효율이 특징이다. 그러나 FED가 아직 시장에 진입하지 못하는 데에는 그만한 이유가 있다. 문제는 FED의 음극팁이 전계 방출 횟수와 비례하여 노후가 진행되며, 상당한 양의 불순물을 진공 패키지 내부로 방출하게 된다는 것이다. 이러한 문제점을 보완하기 위해 연구되고 있는 것이 바로 탄소나노튜브를 이용한 음극 팁의 형성이다.

 

탄소나노튜브를 이용한 FED

(Source : Samsung SDI)

 

탄소나노튜브를 이용한 FED는 지금도 일본 기업들이 주축이 되어 연구가 활발히 진행 중이며, 현재 콘트라스트, 시야각, 해상도 향상 및 응답속도 등의 면에서 개선이 더 필요한 것으로 알려져 있다.

 

2) ‘친환경주의 BLU’를 꿈꾼다

FED 다음으로 대표적인 분야가 바로 LCD 구동에 꼭 필요한 부품인 BLU이다. 그 동안 사용되던 CCFL BLU의 경우 수은을 포함하고 있어 환경 문제와 복잡한 공정이 필요하다. 그로 인해, 최근 LED를 이용한 BLU나 면광원 BLU 등 이를 대체할 BLU를 개발하기 위한 노력이 계속 되어왔다. 그 중 하나가 바로 탄소나노튜브를 이용한 BLU이다.

 

BLU 종류별 특성 비교

Source: Samsung Advanced Institute of Technology, ‘Carbon nanotubes for display application

 

탄소나노튜브의 전계방출 원리를 이용한 탄소나노튜브 BLU는 수은을 전혀 사용하지 않아 환경친화적이며, 구조가 단순하고, 두께도 더욱 얇아진다는 장점이 있다. 하지만 아직은 휘도가 1만 칸델라 수준에 머물고 있어, 이를 업계 요구 수준인 1만 5,000칸델라 이상으로 개선해야 한다는 과제가 남아 있다.

 

3) Non-Indium 투명전극의 선두주자

현재 가장 상용화에 다가선 분야는 투명전극 분야이다. 투명전극은 현재 LCD, PDP, OLED와 터치스크린, 플렉서블 디스플레이에 이르기까지 거의 대부분의 디스플레이에서 없어서는 안 되는 재료이다. 그러나 투명전극으로 널리 이용되고 있는 ITO는 인듐의 희소성으로 인하여 가격이 워낙 높고, 터치스크린 등의 어플리케이션에 적용될 경우, 유연한 필름과의 물리적 특성 차이로 크랙이 발생하는 등의 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결해 줄 새로운 소재로 부상하고 있는 것이 탄소나노튜브다.

 

ITO전극은 인듐과 주석을 적절한 비율로 섞은 분말을 성형하고, 소결하여, 타겟으로 만들고, 이를 다시 배킹 플레이트에 본딩하여, 스퍼터 장비를 이용하여 유리 및 필름에 스퍼터하는 다소 복잡한 공정을 거쳐야 한다. 그러나 탄소나노튜브를 이용할 경우, 아래 그림과 같이 탄소나노튜브를 정제하고, 분산시켜, 증착하는 세 단계를 거치면 투명한 전극을 형성할 수 있다. 이때 사용되는 탄소나노튜브의 양도 극히 소량이어서 경제적으로도 많은 이점이 있을 뿐만 아니라 탄소나노튜브는 ITO와 같은 희소성을 지닌 물질이 아니므로, 안정적인 공급도 가능할 것으로 보인다.

 

탄소나노튜브 전극 형성 방법

Source : KETI, ‘CNT 생산 및 응용분야 사업화 동향’

 

향후 남은 과제는 전도도와 투과도를 ITO 수준으로 끌어올려야 한다는 것과 필름이 아닌 유리 표면에 전극을 형성시키는 방법에 대한 연구일 것으로 생각된다.

탄소나노튜브는 아직 개발되지 않은 어플리케이션이 많은 물질이다. 디스플레이 업계 뿐 아니라 의학, 의류, RFID, 반도체 등 많은 분야에서 탄소나노튜브를 활용하는 방안이 연구되고 있으며, 아직도 개척되지 않은 분야가 무궁무진하다. 디스플레이 업계에서의 탄소나노튜브 활용은 현재 위의 세 가지 정도가 주목을 받고 있으나, 이 외에도 탄소나노튜브에 대한 연구가 진행되어 갈수록 더욱 많은 응용분야가 있을 것으로 생각된다.

 

3. 탄소나노튜브는 어떻게 만들어질까?

 

그럼 이번에는 탄소나노튜브를 합성하는 방법에 대해 알아보자. 탄소나노튜브를 제조하는 방법에는 아크 방전을 이용하는 방법, 고온 가스를 이용하는 방법, 레이저 블라스트를 이용하는 방법 등이 있다.

 

탄소나노튜브 제조 방법

 

특 성		Arc방전법	LaserAblation	기판CVD	CatalyticCVD
합성	장비	고전압 arc발생기 (전기방전)	높은 에너지 레이저 (고가의 레이저)	Thermal/Plasma (glass, silicon)	Fixedbed/ gas-phasereactor
	방식	Batch방식	Batch방식	연속공정 가능 제품직접 적용가능	연속공정 가능
	원료	Graphiterod	Graphitetarget	탄소함유화합물	탄소함유화합물
순도(wt.%)		10~50	~70	~97-99	>97(정제 시)
생산량		>200g/day	<100g/day	20inch	500~2,000kg/day
불순물		Fullerene, graphite, a-C, metalcatalysts	Fullerene, a-C, (Arc보다 적음)	거의 없음	거의 없음
직경/길이		SWCNT; 1.2~1.4nm MWCNT; 10~30nm	1.2~1.4nm/1-10μm	0.8~50nm/max.~30cm	0.8~100nm/>1um
장/단점	장점	결함이 적은 나노튜브가 합성됨	불순물이 arc에 비해 적으면서 결정성 우수	선택적 성장 via-hole	결함이 적게 대량생산이 가능
	단점	불순물 많음	합성속도 늦음	결함 존재함	설비비용 多
개발/사업화 issue		연속식 장비 대량생산	대량생산 원가절감	대면적/CNT 품질 CNT 구조, 팁 밀도 제어	CNT 구조제어/분산, 공정 및 장비개발/CNT 가격

(Source : KETI, CNT 생산 및 응용분야 사업화 동향)

 

아크 방전법의 경우, 두 개의 탄소 막대 사이에 약 100A의 전류를 흐르게 하여 탄소를 기화시켜 나노 튜브 형태로 재 응축하는 방법이다. 이 방법을 이용하여 탄소나노튜브를 제조하면, 결함이 적은 나노 튜브를 생성할 수 있다. 그러나, 그 길이가 50μm 이하로 짧고, 크기와 방향이 균일하지 않다는 단점이 있다.

 

고온 가스를 이용하는 제조 방식은 기판을 600℃ 정도의 고온 반응실에 넣은 후, 탄소를 함유한 기체를 흘려, 기체가 열 분해되어 탄소 원자가 이탈함으로써 기판 위에 탄소나노튜브가 형성된다. 이 방법은 수율이 비교적 높으며, 기본 공정 확립이 용이하나, 결함이 있는 탄소나노튜브가 생성되는 경우가 있다.

 

마지막으로 레이저를 이용하는 제조 방법은 레이저 펄스를 탄소 막대에 주입하여 빠져 나온 탄소 원자를 냉각된 수집기로 모으는 방식이다. 비교적 불순물이 적고 결정이 우수하나, 합성 속도가 느리고, 가격이 높다는 단점이 있다.

 

탄소나노튜브 성장 일례

 

Source: KIST 디스플레이 및 나노 소자 연구실

 

다양하게 형성된 탄소나노튜브의 모습

Source: KIST 디스플레이 및 나노 소자 연구실

 

4. 탄소나노튜브 제조 업체 소개

 

탄소나노튜브에 관한 연구는 미국과 일본을 중심으로 이루어지고 있으며, 현재 탄소나노튜브를 합성하는 기술을 보유하고 있는 회사는 아래와 같다.

일본의 경우, 약 13개 업체가 탄소나노튜브 합성 기술을 보유하고 있으며, 아래 표에 나타난 것처럼, 후지쯔, 히타치, 도레이와 같이 우리에게 친숙한 기업들도 포함되어 있다.

 

일본의 탄소나노튜브 기술 현황

 

업체	업체 기술동향	비고
JFE-CNT	MWNT 대량합성 (대기압 Arc discharge)	전계방출, 기능성 복합재
JFCC	SWNT 대량합성 (Fludizing bed reation)	연료전지, 전계방출 응용, 반도체 소자 응용
(Frontier Carbon)	Selective growth MWNT 합성
Microphase	SWNT, DWNT 대량합성 (Gas stream reation)	연료전지, 전계방출 응용
GSI	Cup-shaped MWNT 대량합성 (Gas stream reation)	연료전지, 전계방출 응용
	Carbere (Endo 교수 기술 제휴)
Fujitsu	Selective growth MWNT 합성	반도체 소자 응용
Hitachi	SWNT 대량합성 준비 중	연료전지
NEC	Carbon Nanohorn (Laser vaporization)	연료전지
Honjo Chemical	SWNT, DWNT, MWNT 대량합성 (Arc discharge)	전계방출, 기능성 복합재
Showa Denko	2001년 CNF와 MWNT 양산 (Gas stream reaction)	2차 전지, 섬유, 복합재
CNRI	MWNT 대량합성 기술개발, SWNT 기술개발 중	연료전지, 반도체, 의료용 응용
	(Fluidizing bed reaction), Mitsui 자회사
Mitsubishi 중공업	Frontier Carbon 자회사 설립	전계방출, 연료전지, 기능성 복합재 응용
	SWNT 대량합성 (Fluidizing bed reation)
Nikkiso	SWNT, MWNT 대량합성 (Arc discharge)	연료전지 응용
	SWNT 대량합성 (Fluidizing bed reation)
Toray	SWNT, MWNT 대량합성, C60 소스, Zeolite,	전계방출, 에너지 소재, 기능성 복합재 응용
	Fe/Co catalyst (Nagoya Univ. Shinohara 교수 기술)

Source: 일진나노텍, ‘탄소나노소재 기술개발동향 및 기술혁신발전방향’

 

미국의 경우, 전계방출 및 자동차 등 다양한 분야에서 활용을 위해 약 3개사 정도가 탄소나노튜브를 합성하고 있으며, 우리나라에서 탄소나노튜브를 생산하는 업체로는 일진나노텍, CNT, 제이오, 세메스 등이 있다.

 

그 외 지역 탄소나노튜브 기술 현황

 

국가	업체	업체 기술동향	비고
미국	Hyperion Catalysis	82년 설립 (상표명, FIBRIL), GE에 합병됨	자동차, 전자,
		MWNT 대량합성(Gas stream reaction)	고분자 수지 응용
	CNI	SWNT 대량합성 (HipCo method)	전계방출, 에너지 소재,
		Smalley 공동설립, Kellog에 합병됨	기능성 복합재 응용
	Carbolex	98년 설립(Kentucky 대학) Eklund 설립	전계방출 분야 응용
		전기방전법 SWNT, MWNT 판매
한국	일진나노텍	CVD 방식에 의한 SWNT, MWNT 합성	전계방출소자, 기능성 복합재 응용, 연료전지(DMFC)
		ARC 방식에 의한 SWNT, MWNT 합성
	CNT	CVD 방식에 의한 MWNT 합성 (1.7t/month)	고분자 복합체 응용
	제이오	CVD 방식에 의한 MWNT 합성장치 개발	고분자 복합체 응용
		LG 화학과 공동개발 중 (정부과제 진행 중)
	세메스	고정층 및 유동층 방식에 의한 MWNT 합성장비 개발	전계방출소자, 기능성 복합재 응용
		기판 성장 CNT 합성 장비 개발 (플라즈마 방식)
벨기에	Nanocyl	SWNT, DWNT, MWNT 대량합성	연료전지, 전계방출 응용,
		(Gas stream reation)	기능성 복합재
중국	Shenzhen	SWNT, DWNT, MWNT 대량합성	연료전지, 전계방출 응용,
	Nanotech	(Plasma Arc discharge, Gas Stream),	기능성 복합재
		중국 과학원 설립회사
독일	Bayer	유동층 반응기를 이용한 MWNT 대량합성	기능성 복합재 응용
영국	Tomas Swan	수직형 반응기에 의한 SWNT, MWNT 합성	고분자 masterbatch 제조에 관심

Source : 일진나노텍, ‘탄소나노소재 기술개발동향 및 기술혁신발전방향’

 

탄소나노튜브의 경우, 아직 안정적인 대량합성 방법이 개발 중인 상황이라 위의 업체들 이외에도 많은 대학 부설 연구소 및 기업 산하 연구소 등에서 기초 연구 및 기술개발이 진행되고 있다.

 

5. 탄소나노튜브 시장의 규모는?

 

탄소나노튜브의 시장 전망에 대한 부분은 업체마다 다소 차이가 있으나, 모든 업체가 탄소나노튜브 시장의 연평균성장률이 30% 이상이 될 것으로 전망하고 있다.

 

탄소나노튜브 시장 전망

Sourece : KETI, CNT 생산 및 응용분야 사업화 동향

 

위의 그래프를 보면 2004년 약 1조원에 불과했던 전세계 탄소나노튜브 시장은 해마다 성장을 거듭하여 2010년에는 6조원을 돌파할 것으로 전망되고 있다. 또한, 아직 연구 개발 단계라는 것을 감안한다면, 상용화가 진행될 경우, 위의 전망치보다 더욱 급속한 성장을 기록할 가능성도 있다.

 

이상으로, 탄소나노튜브가 주목 받고 있는 이유와 디스플레이 업계와의 연관성, 기술동향 및 향후 시장전망에 대한 부분을 살펴보았다. 위에서 거듭 이야기했듯이, 탄소나노튜브는 지금보다는 향후가 더욱 기대되는 물질이다. 또한 그 특성을 어떻게 조절하느냐에 따라 매우 다양한 분야에서 활용될 수 있는 물질이다. 따라서, 현재 탄소나노튜브는 세계 여러 나라에서 정부 지원 하에 개발이 진행 중이며, 우리나라 역시 2002년에 나노 기술 개발 촉진법을 제정하여 제도적, 경제적으로 지원을 하고 있다.

 

탄소나노튜브 기술개발 로드맵

 

Sourece : KETI, CNT 생산 및 응용분야 사업화 동향

 

탄소나노튜브가 여러 분야에서 활용되기까지는 아직 많은 과제가 남아있다. 대량생산을 통한 가격 인하, 특정 응용 분야에 맞는 각각의 탄소나노튜브 개발 등이 필요하다. 또한 정제 및 커팅이라는 다소 까다로운 공정상의 문제를 해결해야 하며, 제품화를 위한 노력도 필요하다.

 

하지만, 탄소나노튜브의 대량 생산을 위한 장비들이 속속 개발되고 있고, 위에서 언급한 바와 같이 투명전극 필름으로 사용될 탄소나노튜브 필름도 곧 양산에 돌입하는 등 여러 업체들이 탄소나노튜브의 상용화에 박차를 가하고 있다. 앞으로 이 ‘꿈의 신소재’ 탄소나노튜브가 디스플레이 업계 및 다른 여러 분야에서 어떤 활약을 펼쳐나갈지 한번 기대해보자.

 

참고자료:

-한종훈, KETI, ‘CNT 생산 및 응용분야의 사업화 동향’
-일진나노텍, ‘탄소나노소재 기술개발동향 및 기술혁신발전방향’
-주병권, 이윤희 KIST 디스플레이 및 나노 소자 연구실, ‘탄소 나노 튜브’
-한인택, Samsung Advanced Institute of Technology, ‘Carbon nanotube for display applications’
-탑 나노시스, http://www.topnanosys.com/
-유효정, 디스플레이 아시아, ‘나노로 그려보는 디스플레이 新대륙’