KAIST `꿈의 신소재` 새 지평 열었다
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작성일 23-05-21 08:42
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◇파급 효율=이 기술을 이용해 기존 소재 내에 탄소나노튜브를 소량 분산시키면 속성 을 획기적으로 improvement(개선)하거나 새로운 기능을 갖는 다양한 첨단 부품소재 개발이 가능하다.
다. 이 개발을 통해 최대 걸림돌이었던 불균질 분산과 응집 문제가 해결됐고 탄소나노튜브의 우수한 강도와 열 및 전기전도도, 전계방출 속성 을 이용한 나노복합재료 신소재를 제조할 수 있는 원천기술이 확보됐다.
설명
이와 함께 개발된 탄소나노튜브·금속 나노복합분말을 차세대 전계방출에미터소재, 고강도·내마모 기계부품소재, 연료전지 전극소재 및 전자기파 차폐소재 등 다양한 응용을 목표(目標)로 용도 개발을 수행할 계획이다. 내마모 성능도 약 3배 이상 improvement(개선)돼 획기적인 물성 향상이 확인됐다.
올해를 기준으로 한 주요 응용분야의 세계시장 규모는 디스플레이 에미터 소재가 10억달러(연平均(평균) 성장률 11.2%)에 이르고 연료전지·2차전지 전극소재는 8억달러(연平均(평균) 성장률 7.2%), 고강도·내마모 부품소재는 28억달러(연平均(평균) 성장률 10.8%)에 이른다.
국내에서도 90년대 중반부터 한양대·성균관대 등을 중심으로 탄소나노튜브 자체의 합성 및 제어공정 연구에 집중하고 있다아 또 삼성전자·일진나노텍 등이 서울대와 산·학협력을 통해 반도체와 메모리 및 전계방출 디스플레이소자 등 전자소자분야에서의 응용연구를 수행하고 있다아 최근에는 표준과학연구원 및 한국전자통신연구원(ETRI) 연구팀에서 수소저장소재와 전계방출 디스플레이 소재로서 탄소나노튜브·금속, 고분자 나노복합재료의 응용 가능성을 확인하기도 했다. 고강도, 고탄성, 내마모 구조용 소재로 응용할 수 있다는 의미다. KAIST 복합재료연구실의 홍순영 교수팀이다.
탄소나노튜브 나노복합재료를 두고 이르는 설명(explanation)이다. 전자방출원으로 이용한 전계방출디스플레이(FED)가 성공적으로 개발될 경우 선명도가 뛰어나고 전력소모가 적고 휘어지는, 수명이 긴 디스플레이 장치도 실용화할 수 있다아 또 연료전지의 에너지 저장소재나 2차전지와 슈퍼커패시터의 전극소재로 사용되면 에너지 소재분야의 혁신을 일으켜 기존 내연기관이 지배하던 사회를 수소사회 또는 신concept(개념) 에너지 사회로 change(변화)시키는 촉매역할을 하게 된다.
순서
이번에 개발된 공정으로 제조된 탄소나노튜브/구리 나노복합재료의 경우 탄소나노튜브를 약 2% 분산시켰을 때 구리에 비해 강도는 2배 이상, 탄성계수는 1.6배 이상 향상됐다.
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◆탄소나노튜브 나노복합재료 세계 수준은
◇상용화 계획=연구성과 중 일부 기술인 탄소나노튜브 나노복합분말소재 제조 기술은 유망 벤처기업인 바이오니아에 기술을 이전, 실용화 추진 단계에 있다아 바이오니아는 기술 이전받은 탄소나노튜브·금속 나노복합분말을 대량으로 생산할 수 있는 설비와 공정기술을 갖춰 나노복합분말소재를 대량 생산하고 생산된 제품을 관련 부품소재 기업에 공급할 계획이다. 도료나 코팅재로 사용했을 경우는 전자파차폐, 난연성 등의 속성 을 부여해 고부가가치의 부품을 만들 수도 있다아
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미국에서는 라이스대학과 RPI대학을 중심으로 탄소나노튜브·고분자 나노복합재료의 연구가 처음 됐다. 이 기술에 의해 제조되는 탄소나노튜브 나노복합재료는 고강도 내마모 기계 부품소재, 연료전지 및 2차전지 전극소재, 디스플레이 소재, 전자파 차폐소재 등 폭넓은 응용이 가능해 경제적 가치도 작지 않다.
연구팀 관계자는 “나노복합재료의 실용화를 위한 기술개발 수준이 선진국에 비해 아직은 30∼40%로 초기단계에 있다”며 “앞으로 신기술·신시장 창출에 의한 국제경쟁력 강화를 위해서는 나노복합재료 분야에 대한 집중육성이 필요하다”고 강조했다. 주문정기자@전자신문, mjjoo@etnews.co.kr
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신공정은 대부분의 금속, 세라믹, 고분자 등 다양한 소재에 적용할 수 있고 탄소나노튜브/알루미나 나노복합재료의 경우 탄소나노튜브를 0.5% 분산시킴에 따라 알루미나에 비해 경도 10% 향상과 동시에 파괴 인성이 50% 이상 향상되는 우수한 결과를 얻었다. 최근에는 MIT, UC-데이비스, 칼테크 등을 중심으로 탄소나노튜브와 금속·세라믹·고분자 등의 나노수준 어셈블리를 하는 원천기술 개발과 이를 이용한 에너지 및 반도체 신소재의 개발에 주력하고 있다아
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‘금속보다 강하고 세라믹보다 파괴 인성이 크며 고분자보다도 우수한 전기전도도.’
또 유럽에서는 옥스퍼드대(영국)·막스플랭크연구소(독일)·스위스연방공과대학(EPFL)이, 日本 에서는 도쿄대를 중심으로 탄소나노튜브의 물리·화학적 구조와 속성 연구를 통한 핵심기술의 특허화에 주력하고 있다아 90년대 후반부터는 탄소나노튜브 나노복합재료를 광전지와 신광원으로 실용화하기 위한 연구가 책략해결해야할문제로 추진되고 있다아
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이런 원천기술을 우리나라 연구진이 세계 최초로 개발하는 데 성공했다.
‘로봇·자동차·flight(항공)기·인공위성 등 첨단 분야에 적용하면 수명을 향상시키고 무게를 줄여 연료 및 에너지를 획기적으로 절약할 수 있는 소재.’
◇어떻게 개발했나=어떻게 하면 탄소나노튜브를 갖고 금속, 세라믹 혹은 고분자 기지재료 내에 분산·혼합해 신기능 나노복합재료를 만들 수 있을까. 연구팀은 탄소나노튜브가 서로 응집되는 기존 공definition 한계를 극복하기 위해 탄소나노튜브의 표면을 화학 처리를 하고 이를 기지이온과 분자수준에서 결합시킴으로써 탄소나노튜브가 기지 내에 균일하게 분산된 나노복합재료를 제조하는 독창적인 공정을 개발하는 데 성공했다.
