탄소나노튜브(CNT)-구조 및 종류, 성질, 도전재로의 이용

탄소나노튜브의 구조 및 종류

 
탄소(Carbon)는 원소주기율표 4족에 속하는 원소로 원자의 주기적인 배열이 달라지면 성질이 바뀌는 특성을 가지고 있다. 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT)는 흑연 1장(Graphene sheet)이 튜브 형태로 감긴 구조로, 6각형 고리로 연결된 탄소들이 지름 1나노미터의 긴 대롱 모양을 하고 있다. 탄소나노튜브는 흑연 면의 감긴 개수에 따라 단층 나노튜브 (Single-walled Nanotube), 이중벽 나노튜브(Double-walled Nanotube), 다중 벽 나노튜브(Multi wall Nanotube) 등으로 구분이 된다. 이 중에서 단일 벽으로 구성된 수평형 탄소나노튜브는 반도체 성질을 띠고, 열 전도성과 물리적 강도가 우수해 실리콘을 대체할 차세대 마이크로칩 소자로 주목받았다.
 

탄소나노튜브의 성질 및 도전재로의 이용

 
탄소나노튜브는 기계적 강도가 매우 높고, 전기 전도성, 열 전도성 등이 우수하면서 강철보다 강하면서도 탄성률이 높아 잘 휘어지는 특성을 가지고 있다. 또 속이 비어 있어 철보다 무게는 훨씬 가볍고 합금의 수십 배에 이르는 기계적 강도, 구리 이상의 전기전도도, 다이아몬드 2배에 이르는 열전도도와 대기에서 750도까지 안정한 열 안정성을 가지고 있다.
 
최근에 이러한 특성을 이용한 탄소나노튜브 도전재가 주목받고 있다. 도전재는 배터리의 양극, 음극 활물질 사이에서 전자 이동을 촉진하는 물질로, 활물질 사이를 연결하여 전기적 특성을 갖추게 한다. 전극에 첨가되는 양은 적지만 배터리 성능을 향상하는 데 중요한 역할을 하고 있다. 탄소나노튜브 도전재는 양극재에 첨가하면 기존 카본 블랙 소재의 도전재보다 전기 전도도가 높아, 카본 블랙의 20%만 첨가해도 비슷한 성능을 낼 수 있기 때문에 도전재의 양을 기존 대비 1/5 줄일 수 있다. 이에 활물질을 대신 더 투입하여 에너지 밀도를 향상할 수 있고, 가격 경쟁력도 갖출 수 있다.
 
탄소나노튜브 도전재는 음극재에 사용하면 또 다른 효과를 볼 수 있다. 음극 활물질로 리튬이온의 이동에 안정적인 흑연계 음극재(천연흑연/인조흑연)가 주로 사용되는데, 최근 전기차 고성능화에 따라 흑연보다 실리콘이 더 주목받고 있다. 실리콘 음극재는 배터리 에너지밀도 및 용량 확대로 전기차 주행거리를 증대시킬 수 있고 배터리 급속충전 속도를 향상할 수 있는 장점을 가지나, 충·방전이 반복되면 부피가 쉽게 팽창하는 단점을 가지고 있다. 이러한 실리콘 음극재에 탄소나노튜브 도전재를 첨가하면 실리콘 음극재의 팽창을 막을 수 있어 배터리 수명을 증가하게 시키고 충전 시간을 단축하게 할 수 있다.
 
하나증권 리포트에 따르면 음극재에서 탄소나노튜브 도전재의 인장강도가 우수하며, 실리콘 음극재의 Swelling 억제가 실리콘 음극재 상용화를 위한 핵심 요소라는 점에서 CNT Slurry 수요 상승을 예상했다. 또한 QY리서치에 따르면 탄소나노튜브 도전재 시장 규모는 2021년 4645억원에서 2027년 2조 3917억 규모로 크게 성장할 것으로 예상한다.