초록
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1. 제 목
탄소나노튜브 소재 및 응용 제품 개발/ 사업화 동향 조사
2. 사업의 목적 및 필요성
과거 20세기 산업의 핵심이 실리콘을 기반으로 하는 소재 산업이었다면, 최근 21세기의 핵심 산업은 나노기술(NT), 정보기술(IT), 바이오기술(BT), 환경기술(ET), 우주항공기술(ST), 문화 기술(CT) 등 소위 6T 기술이라고 할 수 있다. 그 중에서도 나노기술(NT)은 나노미터 크기의 극미세 기술영역을 말하는 것으로, 새로운 물리현상과 향상된 물질특성으로 특징 지어진다. 이러한 나노기술이 점차 발달
1. 제 목
탄소나노튜브 소재 및 응용 제품 개발/ 사업화 동향 조사
2. 사업의 목적 및 필요성
과거 20세기 산업의 핵심이 실리콘을 기반으로 하는 소재 산업이었다면, 최근 21세기의 핵심 산업은 나노기술(NT), 정보기술(IT), 바이오기술(BT), 환경기술(ET), 우주항공기술(ST), 문화 기술(CT) 등 소위 6T 기술이라고 할 수 있다. 그 중에서도 나노기술(NT)은 나노미터 크기의 극미세 기술영역을 말하는 것으로, 새로운 물리현상과 향상된 물질특성으로 특징 지어진다. 이러한 나노기술이 점차 발달함에 따라서 소재산업 역시 그 방향성을 함께 한다.
최근 소재산업은 그 기술이 점차 나노화됨에 따라서 나노 소재를 이용한 산업들이 각광을 받고 있는 실정이다. 특히, 나노 크기라는 특성이 강조되어 기존의 소재재료와는 차별화된 제품들이 개발되고 있으며 소재의 특성을 강조할 수 있는 유연성, 휴대성, 낮은 전기저항, 투명성 등이 요구되어 산업 전반에 응용이 되고 있는 실정이다. 소재는 개발이 어렵지만 성공할 경우 장기간의 기술력확보와 구축이 가능하고, 제품의 기능이나 성능에 미치는 영향이 그 어느 분야보다 크다. 즉, 소재 분야의 경쟁력 확보는 전체 사업의 경쟁력을 좌우한다 해도 과언이 아니다. 과거에는 필요에 따른 소재의 계획과 개발이 주류였다면 현재와 앞으로의 미래 산업은 친 환경적이면서 그 응용 범위가 한 영역에 국한되지 않는 글로벌적 소재기술 산업에 그 목표가 있다고 할 수 있다. 이러한 필요성에 부합하고자 최근 세계 여러 우수한 연구자들과 연구팀들은 나노 소재에 관심을 가지기 시작했으며, 그 중에서 가장 각광을 받고 관심을 가지고 있는 분야가 바로 “탄소나노튜브를 이용한 소재 및 응용 제품 개발”에 관한 산업이다. 이에 관한 소재산업은 과거와 달리 점차 경량화, 소형화, 에너지 절약형을 요구함에 따라서 이 모든 특성을 충분히 충족시킬만한 소재를 찾게 되었는데 그것이 바로 탄소나노튜브(CNT)라고 말하고 있다.
CNT에 대한 연구자들의 관심은 다른 소재분야에 비하여 그리 오래 되지 않았다. 하지만 점점 산업형태가 다기능성과 첨단화, 그리고 소형화를 지향하는 현 시점에서 볼 때 CNT의 응용가치와 그 연구 분야의 다양성이 갖는 의미는 매우 중요하다고 할 수 있다. CNT가 가지는 가장 중요한 의미는 나노튜브라는 물질 자체가 가지는 흥미로운 특성은 물론 나노테크놀로지로 일컬어지는 여러 나노 세계의 대표적인 모델 물질로서 더 큰 의미를 가진다. 나노튜브 (최초 발견된 나노튜브, 카본의 또 다른 동소체)는 복합재료, 전지 전극물질, 전계 방출원, 나노전자 공학, 그리고 나노 사이즈 센서와 같은 다양한 응용분야에서 잠재력이 제시되어왔으며, 카본을 제외한 광범위한 화학종(질화붕소, 비스무스, 금속 칼코게나이드 등)으로부터도 나노튜브 및 나노로드(봉), 벨트와 같은 나노 구조물이 얻어질 수 있음이 확인됨에 따라 더욱 광범위한 응용가능성이 기대된다. 한 시사 경제 전문지에서는 “이제 앞으로 남은 소재산업은 카본소재이며, 카본소재는 21세기를 이끌어갈 정보화 산업과 항공우주산업의 모토가 되는 가장 중요하면서도 고부가가치를 창출할 수 있는 소재산업”이라고 언급하고 있다 (그림 1).
그림 1. 탄소나노튜브를 이용한 소재 응용 가능분야
그 예로 현재 액정 디스플레이나 태양광 패널에는, 투명전도성 필름으로 주석이 도핑된 산화 인듐막 (Indium Tin Oxide, ITO)이 이용되고 있다. ITO의 경우 제반 물성이 우수하고 현재까지 공정 투입의 경험이 많은 장점을 가지고 있지만, 산화인듐 (ln2O3)은 아연(Zn)광산 등에서 부산물로 생산되기 때문에 수급의 불안정과 비용이 매우 고가라는 단점이 있다. 이러한 단점들을 극복하기 위하여 일부 연구자들은 CNT를 이용한 투명 전도성 필름 또는 전극에 관한 연구를 진행 중이기도 하다.
일반적으로 CNT는 단일벽인 single wall nanotube (SWNT), 이중벽인 double wall nanotube (DWNT), 다중벽인 multi wall nanotube (MWNT)로 구분된다. SWNT와 DWNT는 1개와 2개의 동심원으로 된 그라펜 (graphene) 시트로 구성된 반면, MWNT는 여러 동심형 실린더로 된 graphene sheet로 되어 있다. 주로 CNT는 아크 방전, 레이저 융착, 고압일산화탄소 (Hipco), 화학기상증착 (chemical vapor deposition, CVD) 등에 의해 합성할 수 있으며 기계적, 전기적, 열적, 자성 특성이 우수하고, 이런 특성 값은 나노 튜브의 직경, 키랄성 등에 의해 크게 좌우된다. 상기와 같은 특성 때문에 CNT는 고성능 고분자 복합체 분야에서 이상적인 보강제로 사용될 수 있다고 많은 연구자들이 보고하였다. 그 결과들로 열가소성 고분자, 열경화성 수지, 액정 고분자, 수용성 고분자, 공액 고분자 등과 같은 다양한 고분자 연속상을 대상으로 고분자 나노복합체 연구가 활발히 진행되고 있으며, 고분자 복합체의 특성은 CNT의 존재에 의해 인장 강도, 탄성률, 인성(toughness), 유리 전이 온도, 열전도도, 전기전도도, 내용매성, 광학 특성 등이 현저히 개선될 수 있다고 보고하고 있다.
그러나 이러한 많은 장점에도 불구하고 CNT는 반데르 발스 인력 때문에 복합체를 형성하여 고분자 매트릭스에서 분산과 배향을 시키는 데 많은 어려움이 있기 때문에 이 문제의 해결은 중요한 연구 화두로 떠오르고 있다. 고분자 연속상에 개별 CNT를 도입하여 강한 계면 상호작용, 분산과 배향을 향상시키거나, CNT-고분자 연속상 계면으로 전달되도록 하중 전이를 개선하는 방법, CNT의 기능화를 통하여 고분자 매트릭스에서 CNT를 안정화 시키고 분산을 향상시키는 방법들이 그 대표적인 예라고 할 수 있다.
한편, 2008년 일본 나가노현에서 열린 CARBON 2008 국제학회에서는 기존에 볼 수 없었던 연구 발표내용들로 참가자들의 관심을 끌었다. 그것은 바로 나노소재의 안정성에 관련한 연구 내용이다. 2008년 5월 11일과 20일에 Nature nanotechnology에 각각 게재된 Dr. Rodger Duffin “Carbon nanotubes introduced into the abdominal cavity of mice show asbestoslike pathogenicity in a pilot study”, Dr. Parnian Ghafari “Impact of carbon nanotubes on the ingestion and digestion of bacteria by ciliated protozoa”은 그 동안 많은 관심을 받고 있는 나노물질 중에서 탄소나노튜브의 생체적합성과 안정성 그리고 독성에 관하여 심도 깊은 토의가 진행되었다. 이날의 학회 진행방식은 학회의 일정이 모두 끝난 후 6명의 관련 연구자들과 1명의 진행자로 구성된 Extended Session 방식으로 진행되었으며, 과학자들을 비롯하여 현재 일본각지에 소재한 카본관계 기업들의 실무자들과 탄소나노튜브를 이용하여 제품을 개발하거나 또는 앞으로의 이용가치에 대하여 관심을 가지고 있는 많은 사람들이 참가하였다. 공식적인 학술대회가 끝났음에도 불구하고 발표장을 가득 메운 모습들을 봄으로써 “탄소나노튜브의 안정성과 독성”에 관하여 매우 민감하게 반응한다는 것을 알 수 있었다.
일반적으로 많이 알려져 있는 것처럼 탄소나노튜브는 나노미터 정도의 크기를 갖기 때문에 표면적이 매우 넓고, 탄소로 이루어져 있어 열적으로 매우 안정하며, 역학적 특성과 전기적 특성이 매우 우수하다. 과거 1970년대 중반 일본의 Prof. M. Endo (See ref. A. Oberlin, M. Endo and T. Koyama, Journal of Crystal Growth 32, 335-349 (1976))에 의하여 최초로 발견되었다고 M. Terrones는 주장하고 있으며, 1991년 Dr. Iijima에 의하여 그 응용한계가 크게 증가하였다. 현재 탄소나노튜브의 응용분야와 사용 범위는 하루가 다르게 늘어나고 있다. 그러나 그렇게 활용범위가 증가되는 만큼 필연적으로 재료에 대한 안정성 검사도 반드시 수반되어야 할 것이다.
그 동안 몇몇 연구자들에 의하여 안정성에 문제가 ‘있다’ 혹은 ‘없다’라고 서로 상반된 의견들이 제시되었으나 최근 상기에 언급한 논문이 발표됨에 따라 다시 한번 탄소나노튜브의 안정성에 대하여 재조명하는 자리가 만들어졌었다. 여기서 우리가 주목할 만한 것은 탄소나노튜브의 안정성을 위하여 산학이 연계되어 토의의 장이 마련되고, 학계에서의 입장과 산업현장에서의 입장 및 견해차가 신중히 토론됨으로써 이러한 문제가 앞으로 어떠한 파급효과로 나타날 것인지에 대하여 신속히 대응하고자 하는 움직임이 활발해졌다는 것이다. 소재산업의 발전은 궁극적으로 기술을 개발하고 그 효과로 인하여 인간의 삶을 윤택하게 하는 데 목적이 있다고 할 수 있다. 하지만 아무리 효과가 좋다 하더라도 환경을 오염하고 나아가 인간의 생명까지도 위협한다면 그 발전가능성은 매우 희박하다고 할 수 있다.
따라서 본인은 CNT를 이용한 응용가능성, 현재 산업에서의 적용 지연 원인, 그리고 전세계적으로 이슈화 되고 탄소나노튜브의 안정성 및 업계의 대응 방향 등에 관하여 심도 깊게 동향을 파악하고자 하며, 더불어 새로운 관점에서 미래 소재로써의 가치 평가를 하고자 한다. 더불어 탄소나노튜브의 높은 전기 전도성을 활용하여 가장 빠른 시일 내에 상업화가 가능한 응용 제품을 소개하여 집중적으로 조사하고자 한다.
이러한 관점에서 본 조사보고서는 전선 분야에 있어서의 요구성능과 전기 전도성을 활용한 제품의 개발 상황을 조사하는 것으로써 탄소나노튜브 전선 실용화의 과제에 그 목적을 두고, 앞으로의 산업계에서 큰 임펙트을 주는 제품을 창출·실용화에 꾀하고자 한다. 아울러 전선관련에 대한 문제점만 국한된 것이 아니라 탄소나노튜브를 이용한 응용제품을 개발하기 위해서는 공통된 문제점을 동시에 제기함으로써 폭넓은 문제점과 해결방안을 본 조사보고서에서 분석자는 언급하고자 한다.
한국 유명 병원에도 da Vinci로 비뇨기과 수술을 하는 사례들이 많이 올라오고 있지만 정작 수술 로봇 시스템 및 수술 도구 개발에는 많은 연구와 투자가 진행되지 않는 실정이다. 이 보고서의 조사 내용 및 범위는 주로 미국을 다루었으며, 수술 로봇 시스템의 현 상황, 전망, 장단점, 연구 동향 등을 다루고 있다.
이 보고서에서 다룬 내용은 의료 분야에서도 의료 기기 분야로 로봇 수술 시스템과 수술 도구에 관한 것이다. 복강경 수술 로봇은 로봇학과 의료학이 만들어내는 시너지 효과를 성공적으로 보여주는 사례라고 할 수 있다.
복강경 수술 로봇이 목적과 필요성은 보다 안전하고 효과적인 수술을 하는데 있다. 따라서 복강경은 환자의 고통을 덜어주고 상처를 적게 내며 수술 시간과 회복 시간을 빠르게 하는 방향으로 계속 나아가야 한다. Imaging, hemostatic agent, trocars, forceps, suturing techniques 등 다양한 도구들이 쓰이는 복강경 시스템에 대해서도 수술 로봇 시스템과 함께 자세하게 다룰 예정이다.
3. 사업의 내용 및 범위
?추진목표 및 내용
-사업목표: 탄소나노튜브 소재 및 응용 제품 개발 그리고 사업화 동향 조사
-Key 세부목표:
① 탄소나노튜브 사업 관련 개발/투자 방향 설정에 활용 및 개발 동향 파악에 따른 시장 진입 전략 수립에 활용
② 탄소나노튜브 소재에 대한 산업계의 인식을 파악함으로써 미래 소재로써 탄소나노튜브의 가치 평가에 활용
③ 나노 소재로써의 독성/유해성 관련 세계적인 선도 기관/업계의 인식 파악을 통해 국내 업계의 대응 방안 수립에 활용
상기의 내용을 사업목표로 하고 각각 세부목표를 정함으로써 정확한 내용을 파악하고자 한다. 특히 아래의 내용을 중심으로 하여 해당되는 정보를 수집하고 이를 구체화함으로써 사업목표에 맞는 동향분석을 체계적으로 제시하고자 한다. 아래는 본 사업에서 꼭 포함될 내용이다.
① 탄소나노튜브 소재 관련 Major급 업체 사업 동향/전망
② 탄소나노튜브 응용 관련 개발/사업화 분야 및 업체 동향/전망
③ 탄소나노튜브 유해성 관련 선진국의 규제/관리 추진 방향 및 Major급 업체의 대응 방안
기타: EU의 REACH, RoHS 등 선진국들의 유해 물질 규제/관리 관련 추진 현황/전망 조사 (특히 CNT 포함 사항에 대해)
4. 정보조사 결과
본 조사보고서는 사업의 목적과 내용 그리고 범위에 맞게 충실히 조사된 분석물이라고 할 수 있다. 다양한 응용제품으로 거론되고 있는 탄소나노튜브의 현재의 문제점과 해결방안 그리고 가장 빠른 시일내에 응용화가 가능한 제품에 대한 집중적인 조사를 하여 정리함으로써 다른 어떠한 분석물보다 그 내용이 충실하다고 할 수 있다. 아울러 나노소재의 안정성에 관한 내용도 같이 다룸으로써 폭넓은 내용으로 소재의 전반적인 내용 (소재의 개발제안, 응용방법, 응용시 문제점, 해결방안 그리고 나노소재의 안정성 등)을 정리하였다.
5. 정보조사의 활용계획
본 사업을 통하여 작성된 해외 기술 동향 보고서는 학계는 물론 산업계까지 다양하게 활용 될 수 있다. 서론에서 언급한 것처럼 소재 산업은 원천기술의 확보가 가장 우선시되는 핵심 기술 사업이라고 할 수 있다. 이러한 분야에서 선진기술을 습득하고 아직 미개척 분야를 연구하고 남들보다 먼저 산업화에 성공함으로써 적게는 이윤추구에서 좀더 나아가서는 국가 경쟁력을 드높이는데 큰 몫을 할 수 있다. 따라서 전 세계적으로 아직 확보되어 있지 않은 산업 응용 분야 및 나노 소재에 관한 안정성의 개념을 체계적으로 분석하고 정립함으로써 소재산업의 육성은 물론 해당산업의 표준화를 꾀하여 신뢰성을 확보하고 이를 바탕으로 하여 원천기술을 수출함으로써 시장성과 경제성을 동시에 획득할 수 있다. 이러한 기대효과는 현재 국가정책의 핵심적 분야로 언급되는 5T(IT, BT, ET, ST)에 연계되어 국가의 기술적 이미지에 지대한 영향을 미칠 것으로 기대된다. 아래는 본 사업을 통하여 얻을 수 있는 기대효과를 열거한 것이다.
▶ 인재 양성 및 과학기술 파급 효과
? 새로운 기술을 경험한 우수한 인재 양성 및 기업에서의 최신 기술 응용 가능
? CNT 신소재의 연구가 가능한 실험실 구축과 인력에 대한 국제경쟁력 강화
? 국제수준의 연구활동 및 교류 활성화와 미래지향적 연구 시스템 구축
? 탄소나노튜브의 우수한 특성 활용을 위한 소재 융합화 및 합성 기법 개발
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