기획특집 CNT (carbon nano tube) 기술 － 탄소나노튜브 합성 개발 동향 Technical Trends of Carbon Nanotubes Growth Method

KIC News, Volume 12, No. 4, 2009 1

기획특집 CNT (carbon nano tube) 기술－

탄소나노튜브 합성 개발 동향

류 승 철*,**⋅석 중 현*⋅한 종 훈**

,†

*서울시립 학교 나노공학과, ** 자부품연구원 그린에 지 연구센터

Technical Trends of Carbon Nanotubes Growth Method

S. C. Lyu*,**, J. H. Sok*, and J. H. Han**,†

*Department of Nanotechnology, University of Seoul

**Green Energy Research Center, Korea Electronics Technology Institute

Abstract: 탄소나노튜 는 우수한 물리 성질을 가지고 있어서 차세 자소자, 에 지 장 소재, 고기능 복합체 등

의 다양한 응용 분야로의 용에 심을 모으고 있다. 재 세계 으로 탄소나노튜 의 연구 방향은 량 합성에

한 연구와 더불어 다양한 응용분야의 상용화를 앞두고 있다. 특히 최근에는 다양한 응용분야에 부합하는 맞춤형 탄소나

노튜 의 합성 기술과 선택 으로 제어 합성하는 기술에 한 연구에 심을 모으고 있다. 국내에서도 탄소나노튜 의

선택 인 제어 합성과 비용 량합성에 한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이를 통해 나노과학 기술의 원천 인

기술 확보와 차세 고부가가치 산업의 핵심기술로 기여할 것으로 기 된다.

Keywords: carbon nanotube, SWCNT, MWCNT, DWCNT, mass production

1. 서 론1)

20세기말에 나노미터의 극미세 역에서 새

로운 물리 상과 향상된 물질특성을 나타내는

연구결과가 보고되면서 나노기술이라는 새로

운 역이 태동되었으며, 21세기를 선도해갈

과학기술로 정보통신, 의약, 소재, 제조공정,

환경 에 지 등의 분야에서 미래의 기술로

서 인식되게 되었다. 이러한 나노기술 분야

새로운 물질의 구 과 산업 응용성에 있어

가장 크게 각 을 받고 있는 분야가 탄소나노

튜 이다. 탄소나노튜 는 1991년 Iijima에 의

해 발견된 이후 뛰어난 물성 나노미터 스

일의 형태 특징 때문에 차세 나노 테크

놀로지를 선도하는 가장 요한 재료 의 하

나로서 새로운 기술 명을 몰고 올 차세 핵

심 신소재로 큰 기 를 받고 있다.

탄소나노튜 는 종횡비가 크며(직경은 수십

†주 자(E-mail: [email protected])

nm이고, 길이는 수백 µm까지임), 단일벽, 이

벽, 다 벽, 다발 등의 다양한 구조가 있다.

한 감긴 형태에 따라 도체, 반도체의 성질을

띠며 직경에 따라 에 지갭이 달라지고, 일

차원 구조를 가지고 있어 특이한 양자효과를

나타낸다[1,2]. 탄소나노튜 의 특이한 구조

물성이 보여주는 다기능성은 정보통신기기의 필

수인 평면표시소자, LCD backlight, 백색 원,

고집 메모리소자, 2차 지, 연료 지

고용량 캐패시터(supercapacitor), 수소 장 물

질, 화학 sensor, 고강도/ 경량 복합재료,

정 기 제거용 복합재료, 자 차폐(EMI/

RFI shielding) 복합재료, 나노 와이어, AFM/

STM tip, 단 자 소자, 가스센서, 의공학용 미

세 부품, 나노바이오 소재 등에서 무한한 응용

가능성을 갖고 있다[3-10]. Figure 1은 탄소나

노튜 를 이용한 각종 응용기술 표 인

것을 나타낸 것이다.

탄소나노튜 는 차세 핵심소재로서 응용

분야가 매우 다양하고 넓으나 세계시장 규모

2 공업화학 전망, 제12권 제4호, 2009

Figure 1. 탄소나노튜 를 이용한 각종 응용기술 개발.

가 크며 산업 으로 효과가 지 한 분야

로 우리나라의 산업구조 측면에서 보았을 때,

특히 평 디스 이 분야와 에 지 분야, 복

합재료 분야에 한 탄소나노튜 의 응용개발

은 세계 으로 경쟁력을 가질 수 있을 것으로

측된다. 차세 정보 디스 이 소자의 하

나로 각 받고 있는 FED는 기존의 실리콘

이나 몰리 덴 의 수명과 안정성에 큰 문

제가 있고 자방출 효율이 좋지 못하기 때문

에 탄소나노튜 를 emitter tip으로 사용하려

는 연구가 재까지 큰 주목을 받아 왔다.

FED의 핵심기술은 emitter tip의 가공기술과

안정성에 바탕을 두고 있으며, 우리나라가 세계

으로 가장 앞서나가고 있으며 산업화 단계에

있다. 이와 같은 FED 기술이 완성이 되면 LCD

backlight, 평면 조명, 마이크로 amplifier, 옥외

고 , 소형 X-ray 발생기 등 이에 생되는

에미터 기본소자 기술이 동반 상승하여 상품

화가 가능할 것으로 망된다. 탄소나노튜 를

연료 지 극으로 사용할 경우에는 자동차

배터리, 충 용 건 지, 노트북 컴퓨터, 휴 폰

등의 소형 이동용 자제품에 응용할 수 있는

가능성이 크다. 재 세계 으로 시제품을 성

공 으로 데모하여 상업화를 목 에 두고 있

다. 탄소나노튜 의 물성을 이용한 고기능 복

합소재의 응용도 산업 반에 지 한 향을

미칠 것으로 기 된다. 특히 정 기 분산,

자 차폐, 마이크로 로세서의 열 분산 등

을 한 다기능성 탄소나노튜 고분자 복합

재료는 이미 산업화가 부분 으로 이루어지고

있으며, 향후 량생산에 따라 탄소나노튜 의

가격이 떨어지면 발 속도가 격히 빨라질 것

으로 망된다. 탄소나노튜 의 응용이 산업 반

에서 본격 으로 진행될 경우, 그 시장은 가히

천문학 이며, 이에 따라 선진 각국에서는 탄소

나노튜 의 량합성과 응용개발에 한 선행

투자와 연구를 매우 활발히 진행하고 있다.

본고에서는 이러한 탄소나노튜 의 여러 가

지 합성 방법을 소개하고, 최근 탄소나노튜 의

선택 제어 합성 기술과 요즘 심을 모으고

있는 량합성 기술 동향을 소개하고자 한다.

2. CNT 합성방법

1991년 일본 기회사(NEC)의 Iijima 박사

가 기방 법을 통해 발견한 이래 15년 정도

가 지난 재 세계 으로 일부 업체들이 양산


체제를 구축하여 생산에 박차를 가하고 있는

상황으로 향후 나노기술을 이끌고 갈 요한

요소 기술로서 국내에서 상용화 제조기술을

실히 필요로 하고 있다[11].

2.1. 기방 법(arc-discharge)

기방 법은 두 극 사이에서 방 이 일

어나면 양극으로 사용된 그래 이트 에서

떨어져 나온 탄소 클러스터들이 낮은 온도로

유지되고 있는 음극 그래 이트 극에 응축

된다. 이 게 음극에서 응축된 탄소물질은 탄

소나노튜 와 탄소 나노입자들을 포함하고 있

다. Figure 2는 표 인 기방 장치를 보

여주고 있다. 이 장치에서 챔버는 진공펌 와

헬륨공 장치에 연결되어 있다. 양극 극은

직경이 6 mm인 고순도의 그래 이트 을 사

용하고, 음극 극은 직경이 9 mm이며 길이는

양극 극보다 짧은 그래 이트를 사용한다. 그

리고 순수한 양극 그래 이트 에 Co, Ni.

Fe, Y 매 속 등을 혼합해서 기방 을 하

면 단 벽 탄소나노튜 를 얻을 수 있다[12].

고품질의 탄소나노튜 를 합성하기 해서는

기방 이 일어나는 동안에 두 극 사이의

거리를 1 mm 이하로 일정하게 유지시켜야 한

다. 한 챔버 내의 기체의 압력과 인가 류도

요한 변수이다. 압력이 증가하면 탄소나노튜

의 생산량이 증가하지만 무 높은 압력은

탄소나노튜 의 수율을 떨어뜨린다. 두극 사이

에는 직류 원을 사용하는데, 20～40 V의

압 범 에서 류는 50～100 A 정도로 안정

된 라즈마를 유지할 수 있는 범 내에서

가능한 한 낮은 값을 갖는 것이 좋다.

2.2. 이 증착법(laser vaporization)

1995년에 미국 Rice 학의 Smalley 그룹은

이 증착법을 이용하여 탄소나노튜 를 합

성하 다[13]. Figure 3은 Smalley 그룹에서

사용한 이 증착장치의 계략도이다. 1200

℃의 오 안에 있는 흑연 target에 이 를

조사하여 흑연을 기화시킨다. 이때 운반 가스

Figure 2. 탄소나노튜 합성을 한 기방 장

치 개략도.

Figure 3. 탄소나노튜 합성을 한 이 증착

장치 개략도.

로는 헬륨이나 아르곤 가스가 사용되고 오

의 압력은 500 Torr 정도로 유지한다. Target

에서 기화된 흑연은 차가운 collector에 흡착되

어 응축하는데 응축 물질에는 탄소나노튜 와

탄소나노입자가 섞여 있다. 한 순수한 흑연

target 신에 Co, Ni, Fe 매 속 등이 혼합

된 흑연을 target으로 사용하면 균일한 단 벽

탄소나노튜 를 얻을 수 있다. 하지만 탄소나

노튜 의 수율이 무 낮아서 일부 연구용으

로 소량 합성하는 실정이다.

2.3. 라즈마 화학기상증착법(Plasma Enhanced

CVD)

라즈마 화학기상증착법의 장 은 기 에 수


Figure 4. 탄소나노튜 합성을 한 라즈마 화

학기상증착 장비 개략도.

직으로 배향된 탄소나노튜 를 성장시킬 수

있으며, 열화학기상증착법보다 온에서 탄소

나노튜 를 합성할 수 있다는 이 무엇보다

도 큰 장 이다. 일반 으로 라즈마 화학기

상증착법에서 방 을 일으키는 원은 직류

(DC) 는 고주 의 두 가지로 구분된다. 사

용된 고주 는 RF (13.56 MHz)와 Microwave

(2.47 GHz)를 표 으로 사용하고 있다.

라즈마 방식은 방 공간을 극 사이에 끼우

고 극에 인가되는 고주 계에 의하여

로우 방 을 발생시켜 원료기체를 반응시키는

방법이다. Figure 4는 라즈마 화학기상증착

장치에 한 개략도이다. 탄소나노튜 를 성장

시킬 기 은 지된 하부 극 측에 놓이며,

원료기체의 공 은 탄소나노튜 를 균일하게

성장시키기 하여 상부 극쪽으로부터 공

하는 경우가 많다. 탄소공 원으로 C2H2, CH4,

C2H4, C2H6, CO 가스를 사용하여 탄소나노튜

를 합성한다[14]. 보통은 Si, SiO2 혹은

glass 기 에 Fe, Ni, Co 등의 매 속을

증착하고 이 속을 처리하여 나노사이즈의

작은 그 인들을 만든 후에, 의 반응 기체들

을 RF로 로우 방 을 일으켜서 기 에

탄소나노튜 를 합성한다.

2.4. 열화학기상증착법(Thermal Chemical Vapor

Deposition)

면 기 에서의 탄소나노튜 합성은

앞으로의 FED를 비롯한 각종 계방출 디스

이에 용할 수 있다는 에서 기술 으

로 아주 요하다. 열화학기상증착 합성 방법

은 생성물이나 원료가 다양하고, 고순도 물질

을 합성하기에 합하며, 미세구조를 제어할

수 있다는 장 을 가지고 있다. 특히 시료의

처리과정이 간략하고 량생산이 가능하고 고

순도의 탄소나노튜 의 성장이 가능하여 정제

의 필요성이 크게 어든다는 장 이 있어 다

양한 응용분야에 탄소나노튜 를 용시키는

데 기 되는 합성 방법이다. Figure 5는 탄소

나노튜 합성을 한 일반 인 열화학기상증

착 장치의 개략도이다[15].

열화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜 를

합성하는 방법은 다음과 같다. 여러 가지 기

에 Fe, Ni, Co, 등의 속을 증착하고, 이

시료를 열화학기상증착법 장치에 장입하고

850 ℃의 온도에서 NH3, H2 등의 가스로 시료

의 매 속을 식각하여 나노 사이즈의 작은

그 인들을 형성시킨다. 나노 사이즈의 매

속 그 인들 에 다양한 탄화수소 가스를 공

하여 탄소나노튜 를 합성 할 수 있다. 한

식각 가스의 유량을 조 하여 매 속의 크

기를 조 할 수 있는데, 탄소나노튜 의 직경

은 매 속의 크기에 향을 받으므로 식각

가스의 유량 조 을 통하여 다양한 직경의 탄

소나노튜 를 합성 할 수 있다.

2.5. 기상합성법(Vapor Phase Growth)

기상합성법에 의한 탄소나노튜 합성은 종

래의 VGCF (Vapor grown carbon fiber) 제

조공정의 변형된 방법이다. 매입자와 반응기

체가 반응기 안으로 연속 으로 주입되면서

탄소나노튜 가 합성된다. Figure 6은 탄소나

노튜 의 기상합성에 사용된 장치의 개략도이

다. C2H4, CO, CH4, C2H2, benzene xylene

등의 탄화수소물질과 이 속 매를 함유한


Figure 5. 탄소나노튜 합성을 한 열화학기상

증착 장치 개략도.

유기 속화합물로서 Fe(CO)5 혹은 Ferrocene

등을 반응로에 동시에 흘려 으로써 탄소나노

튜 합성이 시작된다. Fe(CO)5의 기화온도는

105 ℃이고 250 ℃에서 분해되기 시작한다.

Ferrocene은 185 ℃에서 승화되며, 400 ℃ 이

상에서 분해되기 시작한다. 가열로 안에서 분

해된 Fe 원자는 기상에서 클러스터를 형성하

면서 탄소나노튜 성장을 한 핵을 형성한

다. 탄소나노튜 의 성장과정은 탄화수소 기체

가 분해되어 속입자의 표면에서 화학흡착

속탄화물을 형성하여, 속의 표면에서

포화 되어 속입자 내부로 확산되고, 그 입자

들의 뒷면에 응결되어 탄소나노튜 로 성장된

다. 탄소나노튜 를 구성하는 그래 이트 면은

매입자의 결정면에 의해 크게 좌우되며, 탄

소나노튜 의 직경은 분해된 매입자의 크기

에 의해 크게 향을 받는다. 기상합성법의 장

은 나노 사이즈 분말의 매 속만 있으면

기상에서 매 속을 매개체로 성장되므로

량합성에 유리한 장 을 가지고 있다[16].

3. CNT 합성 연구개발 동향

최근 다양한 응용 분야에서 상용화에 한

연구가 활발히 진행이 되면서 탄소나노튜 의

Figure 6. 탄소나노튜 합성을 한 기상합성 장

치의 개념도.

량합성에 한 연구가 많이 진행이 되고 있

는 실정이다. 무엇보다도 주목해야 할 부분은

다양한 응용분야의 특성을 향상시키기 하여

각각의 응용분야에 합한 탄소나노튜 를 선

택 으로 제어, 합성하는 기술에 한 연구가

최근 활발히 진행 되고 있다. 이 의 연구 결

과에서는 단순히 탄소나노튜 의 구조만 선택

으로 제어 하는 것에 한 연구가 부분

이었으나 최근에는 탄소나노튜 의 길이

직경을 자유롭게 조 하여 합성하는 연구 결

과가 보고되고 있다. 뿐만 아니라 탄소나노튜

의 기 인 특성을 제어하여 합성하는 In-

situ 도핑 기술에 한 연구 성과도 발표되고

있다. 무엇보다도 탄소나노튜 를 다양한 응용

분야에 용하기 해서는 탄소나노튜 소재

의 가격 경쟁력을 극복해야 한다. 이러한 문제

을 해결하기 하여 탄소나노튜 의 량합

성에 한 연구도 목할 만한 성과를 보이고

있다.

3.1. 국외 연구 동향

탄소나노튜 의 가격 경쟁력을 확보하기

하여 세계 으로 탄소나노튜 의 량합성

에 한 연구가 활발히 진행 이다. 탄소나노

튜 소재를 생산하는 주요 업체는 미국

일본을 심으로 10여 개 정도가 있는 것으로

추정되고 있다. 국외의 탄소나노튜 소재의

합성에 한 업계의 동향은 Hyperion (GE),

CNI (Kellog), Showa-Denko, CNRI, Mitsubishi,

Nikkiso, Nano Carbob Tech., Shinshen Nanotech

등에서 다 벽 탄소나노튜 생산기술에 해


상당한 진 을 보이고 있으나, 단 벽 탄소나

노튜 , 이 벽 탄소나노튜 10 nm 미만

의 직경을 갖는 다 벽 탄소나노튜 의 생산

기술은 재 pilot 수 이하이다. 단 벽 탄소

나노튜 의 소재 가격은 아직 정립되어 있지

않고, 단 벽 탄소나노튜 가 다 벽 탄소나노

튜 보다 가격면에서 비싸지만 단 벽 탄소

나노튜 가 도성 측면에서 보다 우수하기

때문에, 은 충진량에도 불구하고 성능이 우

수하여 향후 가격 비 성능비교에서 다 벽

탄소나노튜 를 충분히 능가할 수 있다고

망된다. 이에 따라 단 벽 탄소나노튜 의

량합성에 한 연구가 활발히 진행 이다.

미국의 경우 Hyperion Catalysis International

사에서 평균 10 nm 직경의 탄소나노섬유를

량 생산하고 있으며, 단 벽 탄소나노튜 의

경우 CNI 사에서 기상합성법의 일종인 HIPCO

공정을 사용하여 99% 이상의 순도로 약 100

g/day의 규모로 합성하고 있고, 향후 수백 톤

까지 생산량을 늘릴 계획이다.

일본의 Showa Denko는 1999년 3월부터

형 연속식 반응시험장치의 설계와 제작에 착

수하여 1999년 말에는 이 시험설비를 통해 평

균직경 30 nm의 탄소나노소재가 시간당 200

g 생성된다는 사실을 확인하 다. 그리고 2000

년 5월경 후처리공정 완성으로 탄소나노튜

합성장치 설비가 완공되어 본격 인 양산

가능성을 검증하게 되었다. 일본의 Mitsubishi

공업은 Frontier Carbon 자회사를 설립하고

유동층 반응에 의한 단 벽 탄소나노튜

량 합성 연간 1500톤을 추진 에 있으며,

Nikkiso 역시 유동층 반응에 의한 단 벽 탄

소나노튜 량 합성을 추진 에 있다. 최근

일본에서는 독립행정법인 산업기술총합연구소

나노탄소연구센터 사이토 다 시 연구 은 직

분열분해합성법(DIPS법)을 이용하여 생성물

의 순도 결정성이 비약 으로 개선된 단

벽 탄소나노튜 를 합성하 고, 이것은 기존

기술과 비교하여 순도가 50%에서 97.5% 이상

으로 향상되었으며, 구조결함은 10분의 1 이하

Figure 7. Bayer사의 유동층 합성장비.

로 감소되어, 기존의 양산 단 벽 탄소나노튜

의 품질(순도 약 50%)을 크게 상회하는 것

으로 매이용 효율도 3900%로 양산성에 있

어서도 기존방법의 약 100배를 달성하는 성과

를 보이기도 했다.

최근 유럽에서도 량합성 장치 공정기

술에 한 개발을 극 으로 진행하고 있다.

국의 Tomas Swan사는 수직형 반응기를 이

용하여 단 벽 탄소나노튜 와 다 벽 탄소나

노튜 를 량으로 합성하여 매하고 있다.

독일의 Bayer에서는 유동층 반응기를 이용한

다 벽 탄소나노튜 를 연간 60톤 규모로 합

성기술을 개발하고 있으며, 자사 제품을 활용

하여 탄소나노튜 고분자 복합재의 시제품을

출시하 다. Figure 7은 Bayer사의 유동층 합

성 장비를 보여주고 있다.

Table 1에 국외 탄소나노튜 소재의 량

합성에 한 주요 업계의 동향을 요약하 다.

량합성에 한 연구 외에도 학계에서는

다양한 응용분야에 우수한 특성을 확보하기

하여 맞춤형 탄소나노튜 를 용하는 연구

가 활발히 진행 이다. 열화학기상증착법으로

매 속의 크기를 조 하여 탄소나노튜 의

직경을 선택 으로 합성하는 연구 성과는 이

미 많은 연구 성과를 보이고 있다. 하지만 최

근에는 이러한 직경뿐만 아니라 길이 구조

를 제어하여 합성하는 연구 성과도 보이고 있

다. Z. F. Ren group에서는 화학기상증착법을

이용하여 MgO 에 매 속을 증착하여

C2H4와 반응시켜 2.2 mm 길이를 갖는 탄소나


Table 1. 국외 탄소나노소재의 량합성에 한 업계의 동향

회 사 명 국 가 생산 능력

Nano Carbon Tech. 일 본MWCNT : 연간 120톤('03)

SWCNT : 연간 1톤('03)

Showa Denko 일 본CNF 직경 150 nm : 연간 40톤('03)

MWCNT 직경 80 nm : 연간 10톤('03)

GSI 크 오스 일 본MWCNT 연간 40~50톤('03)

Cup-shaped CNF, 년간 5톤(‘06)

Nikkiso 일 본 SWCNT, MWCNT 연간 4톤('03)

Shinshen Nanotech 국SWCNT, 연간 2톤('05)

MWCNT 연간 10톤('05)

Mitsubishi 일 본 SWCNT, MWCNT 연간 수 톤('03)

Hyperion Catalysis 미 국 MWCNT 연간 200톤 이상('03)

Unidym 미 국 SWCNT 연간 2톤('03)

Bayer 독 일 MWCNT 연간 100톤 이상('08)

Tomas Swan 국 SWCNT 연간 1톤 규모('06)

Arkema 랑스 MWCNT, 년간 5톤 규모('05)

C-Nano 국MWCNT,

년간 수백톤 규모 장비 설계 ('09)

노튜 를 합성하여 보고하기도 하 다[17].

한 Duke 학의 Jie Liu group에서는 화학기

상증착법을 이용하여 에탄가스의 유량에 따라

단 벽 탄소나노튜 의 직경을 조 하는 연구

성과를 보고 하 다[18]. 한 그밖에도 최근

들어 고품질의 탄소나노튜 를 합성하기 하

여 탄소나노튜 합성 시 물을 도입하여 비정

질 탄소 티클의 생성을 억제하여 합성하는

방법도 소개되고 있다[19].

탄소나노튜 물성제어 기술은 실제 제품에

서 원하는 기능을 필요한 형태로 가공하는 분

야로서 탄소나노튜 혹은 복합체 극의

도 특성을 향상시키기 해서는 무엇보다도

탄소나노튜 자체의 특성을 향상시키는 것이

요하며, 탄소나노튜 의 기 특성을 제어

하기 해서 탄소나노튜 를 도핑하는 연구가

일부 진행 이다. 합성과 동시에 도핑을 진행

하는 In-situ 도핑 공정은 몇몇 선행 연구자들

에 의해 연구 결과가 보고되고 있지만 아직도

많은 연구가 필요한 실정이다. 미국의 P. M.

Ajayan group에서는 BC4N과 흑연을 혼합하

여 탄소 을 만들어 기방 법으로 보론이

도핑된 다 벽 탄소나노튜 를 합성하여 보고

하 다[20]. 최근에는 일본의 J. Haruyama

group에서는 이와 다른 방법으로 pulsed laser

타겟에 보론과 이 속과 그래 이트를 혼합

하여 단 벽 탄소나노튜 에 보론 도핑을 성

공하 으나 laser vaporization 합성 방법 특성

상 수율이 낮아서 이를 이용한 응용연구에는 부

합한 실이다[21]. 한 일본의 Yoshihiko

Takano group에서는 boric acid를 이용하여

다 벽 탄소나노튜 에 보론을 도핑하 으며,

이러한 도핑된 다 벽 탄소나노튜 가 도핑되

지 않은 탄소나노튜 보다 기 도도가 향상

된 결과를 Figure 8에서 보여주고 있다[22].

3.2. 국내 연구 동향

탄소나노소재 합성에 한 연구는 성균 ,

포항공 , 서울 , 남 , 고려 , 북 , 서

울시립 등 학계와 정부출연기 (한국과학기


Figure 8. 도핑된 탄소나노튜 의 기 도도 특성.

술원, 한국에 지기술연구원, 표 연구원, 자

부품연구원), 연구소를 심으로 실험실 규모

의 합성이 진행 이다. 성균 , 고려 등

의 경우 합성의 기 기반기술인 직경 조

결정성 향상 등에 을 맞추어 연구를

진행하고 있으며, 자부품연구원 서울시립

의 경우 탄소나노튜 의 자구조를 제어하

여 합성하는 도핑 기술에 한 연구와 탄소나

노튜 의 구조를 선택 으로 제어하는 기술에

한 연구를 진행 이다[23]. 세계 으로 탄

소나노튜 량합성에 한 연구 추세에 발

맞춰 국내의 경우도 탄소나노튜 의 량합성

과 그에 따른 장치 개발에 한 연구가 활발

히 진행 이다. 국내 탄소나노소재 련 산업

체의 경우 한화나노텍, (주)나노솔루션, 나노

텍, 넥센나노텍, 나노카본 등에서 탄소나노소

재를 합성하여 매하고 있으나 아직은 주문

생산 단계나 일롯 단계이며, 선진국에 비

해 량생산 공정기술 생산능력은 조한

실정이다. 한화나노텍에서는 아크방 법에 의

해 단 벽 탄소나노튜 를 합성 하고 있으며,

아텍시스템에서는 연속공정이 가능한 아크방

장치를 제작하여 매 에 있다. 카본나노

텍에서는 매 미세화 공정과 합성 공정을 단

일공정으로 처리하고 모든 공정을 연속화 함

Figure 9. 카본나노텍사의 합성장비.

으로써 생산성을 획기 으로 향상시킨 연소

제조공정 기술을 확보하 다. Figure 9는 카본

나노텍의 탄소나노튜 량합성 장비를 보여

주고 있다.

(주)나노솔루션의 경우는 기방 법을 이

용하여 고품질의 단 벽 탄소나노튜 를 량

으로 합성하고 있으며, 화학기상증착법을 이용

하여 다 벽 탄소나노튜 를 량으로 합성하

는데 성공하여 매하고 있다. (주)CNT의 경

우는 러시아의 기술을 도입하여 양산능력을

갖추고 복합체용 탄소나노튜 의 가격을 크게

인하시켜 공 하고 있다. 반도체 장비 회사인

세메스사는 매 반응 기체간 충분한 활성

을 유지하며 반응 수율을 극 화 할 수 있는

유동층 합성 방식을 채택하 으며, 반도체 무

인자동화 시스템을 도입하여 CNT의 연속 공

정을 가능하도록 장치를 구 하여 연간 20톤

의 생산이 가능하다고 보고하고 있다. Figure

10은 세메스 사의 탄소나노튜 량합성 장

비 사진을 보여주고 있다.

4. 시장 동향

탄소 나노튜 의 재 수요처는 응용제품의

산업화 미비로 매우 으나, 향후 탄소 나노튜


Figure 10. 세메스의 합성장비.

의 응용제품 출 차 응용제품의 사업

화형성 분 기가 조성되면서 본격 인 시장형

성에 따라 크게 다양화 될 것으로 상된다.

탄소나노튜 는 재 세계 으로 산업화 기

단계로서 아직 시장이 성숙되지 않아 수요량

이 수백 톤 규모에 불과하여 생산업체별 매출

규모는 략 수 억원에서 수십 억원 규모로

추정된다. 한 시장 미성숙 상태인 재시

에서의 탄소나노튜 세계시장은 미국 일

본 업체가 부분을 차지하고 있는 것으로 추

정되나, 향후에는 어느 업체가 먼 경쟁력을

갖춘 제품을 량으로 생산하여 시장을 선도

하느냐에 따라 시장 유율이 크게 좌우될 것

으로 상된다. Figure 11은 다 벽 탄소나노

튜 , 탄소나노섬유, 탄소섬유 카본블랙의

재의 가격 수 과 향후 가격 동향의 추이를

보여주고 있다. 재 탄소나노튜 의 가격은

kg 당 200 유로 수 이며, 다른 경쟁재와의

비교에 있어서 가격 비 성능수 을 감안하면

탄소나노튜 의 가격이 kg 당 50 유로 이하로

진입되어야만 다른 경쟁재를 체할 수 있는

수 에 도달할 수 있으며 고분자 복합체 등

Figure 11. 탄소 나노 소재의 가격 동향.

다양한 응용분야에서 범용으로 사용될 수 있

다. 세계 으로 량합성 공정 설비구

축을 해 많은 투자와 노력으로 인해 2010

년경 kg 당 50 유로 수 을 충분히 달성할

망이다.

4.1. 다 벽 탄소나노튜 의 시장 규모

국가별 다 벽 탄소나노튜 의 생산 황을

살펴보면 세계 으로 알려진 53개 공 업

체 에서 40개 이상의 업체가 다 벽 탄소나

노튜 를 공 하고 있다. 재 세계 인 생

산량은 년간 294톤 규모이며 2010년경 5560

톤 규모로 성장할 것으로 상된다. 그러나

재의 사용량은 체 생산규모의 10% 정도인

29톤 정도에 머무르고 있다. 주로 도성 복합

체의 첨가재로서 주로 이용되고 있다. Hyperion

Catalysis는 다 벽 탄소나노튜 합성 부분에

서 가장 앞선 회사로서 20년 동안 넘게 다

벽 탄소나노튜 를 합성하고 있다. 국의

Shenzhen Nanotech Port사는 2001년 이래로

다 벽 탄소나노튜 를 량으로 합성하고 있

으며 향후 2년 이내에 5~10배 생산규모를 증

가시킬 계획을 가지고 있다.

다 벽 탄소나노튜 의 가격은 재 $4,500

kg에서 5년 이내에 $80 kg 이하로 낮아질

망이다. 일본의 CNRI 역시 2002년에 연간 120

10 공업화학 전망, 제12권 제4호, 2009

Figure 12. 국가별 다 벽 탄소나노튜 생산규모

(BCC report).

톤 규모의 생산시설을 확보하 으며, 향후 다

벽 탄소나노튜 의 공 가격을 $100 kg 이

하로 낮출 계획이다. 그밖에 한국의 Carbon

Nano-Material Technology사, 국의 Sun

Nanotech, Shenyang Gina New Materials 사,

Tsinghua-Nafine Nanopowder, 미국의 Nanolab,

Nanocraft, 유럽의 Arkema, n-TEC, Nanocyle

에서 량합성 기술개발을 진행하고 있다.

Figure 12는 국가별 탄소나노튜 생산 규

모 망을 보여주고 있다. 재는 미국이 가장

생산능력에서 앞서고 있으나 2년 내에 국이

가장 큰 생산능력을 2011년에는 한국이 가장

량합성 경쟁력을 확보할 것으로 망되고

있다.

4.2. 단 벽 탄소나노튜 의 시장 규모

국가별 단 벽 탄소나노튜 의 생산 황을

살펴보면 시장조사기 인 BCC에서 2000년 단

벽 탄소나노튜 의 생산량은 1~5 kg 정도

이며, Cientifica에서는 재의 생산량은 230

kg/yr이며, 생산규모는 9 ton/yr 이하라고 보

고하고 있다. 단 벽 탄소나노튜 의 상용화는

아직 많은 장애물을 가지고 있으며 재 주로

R&D 수 에서 시장이 형성되고 있다. 재

시장 황은 미성숙 단계에 머무르고 있지만

산업체 계자들은 향후 5~10년 이내에 단

벽 탄소나노튜 수요처가 크게 증가할 것으

Figure 13. 국가별 단 벽 탄소나노튜 생산규모.

로 기 하고 있다. 공 업체들은 2010년경에

195 톤 수 에 도달할 것으로 계획하고 있다.

미국의 CNI는 HiPCO 공정을 이용하여 하

루 45 kg 생산을 계획하고 있으며 재 일본

의 Sumitomo를 통해서 단 벽 탄소나노튜

를 공 하고 있으며, 일본업체들이 CNI 사의

단 벽 탄소나노튜 를 50% 이상 사용하고

있다. 국회사인 Shenzhen Nanotech Port,

Chengdu Organic Chemistry와 미국의 Nano-

structured & Amorphous Materials 사가

재 화학기상증착 공정을 활용하여 단 벽 탄

소나노튜 를 최 규모로 공 하는 회사이다.

일본의 Honjo Chemical이 일본의 력업체인

미쯔비시와 공동으로 단 벽 탄소나노튜 를

이미 생산하고 있으며, Tokai Carbon, Toray

등에서도 단 벽 탄소나노튜 합성 연구를

수행하고 있으나 생산규모는 정확히 알려져

있지 않다.

의 Figure 13은 국가별로의 단 벽 탄소

나노튜 의 생산규모를 보여주고 있으며 미

국이 역시 재 가장 많은 단 벽 탄소나노

튜 생산능력을 나타내고 있다. 국내 연구

기 들의 원천 기술 확보와 산⋅학⋅연 공동

연구 체제 확보를 바탕으로 2010년에는 한국

이 가장 많은 생산능력을 보일 것으로 망

하고 있다.


5. 결 론

탄소나노튜 는 우수한 물성으로 인해 고분

자 복합소재 등 다양한 응용분야에서 상용화

를 앞두고 있으며, 최근 다 벽 탄소나노튜

의 량합성 기술의 발 으로 인해 가격이

격히 하락하고 있는 상황 하에서 응용분야의

용가능성이 한층 더 높아지고 있다. 재 단

벽 탄소나노튜 의 경우에는 생산 단가가

다른 탄소 나노소재에 비하여 상당히 높아서

범용의 복합소재 보다는 유연투명 극과 트랜

지스터 등의 나노소자에 용되고 있다. 미국

이나 일본, 유럽 등의 국가에서는 유동층 반응

기에 의한 량합성 기술을 확보하고 있지만

국내의 경우 탄소나노튜 응용에 한 기술

자체는 세계 인 수 이지만 량합성기술에

한 부분은 세계 인 수 에 비해 공정기술

측면에서 다소 부족한 실정이다. 탄소나노튜

의 최근 합성추세는 일반 인 탄소나노튜

합성 기술과 더불어 응용목 에 부합하는 맞

춤형 탄소나노튜 의 합성기술 방향으로 활발

하게 진행되고 있다. 각각의 다양한 응용분야

에 합하도록 탄소나노튜 의 길이 직경,

구조뿐 아니라 탄소나노튜 의 기 인 특성

도 제어할 수 있는 합성기술 등이 이슈가 되고

있다. 하지만 이러한 기술은 세계 으로 선

두 몇몇 그룹에서만 연구를 진행하고 있어 국

내에서도 활발한 연구개발이 필요한 상황이다.

탄소나노튜 는 다양한 응용 가능성으로 인

하여 차세 자정보 산업분야에서 폭 넓게

응용될 것으로 기 되고 있다. 따라서 첨단

자정보 산업 분야와 고기능성 나노소재의 경

쟁력 확보 차원에서 국가 인 계획 하에서 기

업 연구소, 학 간에 유기 이고 상호보완

이며 체계 인 연구 개발이 진행이 되면 원

천 인 나노기술 확보와 더불어 나노 기술의

세계 인 우 를 차지할 수 있으며 국가 산업

의 핵심 기술로 기여 할 수 있음을 기 한다.

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% 자 소 개

한 종 훈

1992 포항공과 학교 화학공학과 학사

1999 포항공과 학교 화학공학과 박사

1999 포항공과 학교, post-doc2000∼2006 일진나노텍2002∼2004 RICE University, post-doc2006∼ 재 자부품연구원 책임연구원

석 중 현

1984 서울 학교 물리학 학사1986 서울 학교 물리학 석사1995 Iowa state University,

Department of Physics 박사1996∼2002 삼성종합기술원2002∼2004 세종 학교 나노공학과

조교수2004∼ 재 서울시립 학교 나노공학과

부교수

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류 승 철

2001 군산 학교 기공학 학사2004 한양 학교 나노공학 석사2006∼ 재 서울시립 학교 나노공학

박사과정

기획특집 CNT (carbon nano tube) 기술 － 탄소나노튜브 합성 개발 동향 Technical Trends of Carbon Nanotubes Growth Method

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