관련 통계자료 다운로드 자기회복성 물질산업에 영향을 주는 요소
사진; 탄소 6개로 이루어진 육각형들이 서로 연결돼 관 모양을 형성한 탄소나노튜브
자기회복성 구조물질 및 탄소나노튜브
◇자기회복성 구조물질=자기회복성 구조물질(self-repairing structural materials)을 사용해 앞으로 건물이나 항공기의 균열 또는 자동차 차체의 우그러진 부분을 쉽게 없앨 수 있게 될 것이다. 또 생산라인의 결함부분을 제거할 뿐 아니라 전자회로 기판이나 체내에 이식한 의료장치 등 수리가 현실적으로 어렵거나 불가능했던 것도 가능해질 것이다. 현재 연구원들이 폴리머 합성물질과 같은 자기회복 능력이 있는 물질을 개발중이기 때문에 앞으로 20년 이내에 사람이 약간 또는 전혀 개입하지 않아도 기존의 방법으로는 거의 불가능한 부분의 수리가 가능해질 것으로 보인다.
기능이 우수한 자기회복성 구조물질이 개발되면 자동차·항공기산업에서부터 에너지산업에 이르는 광범위한 분야에 영향을 줄 것이다. 이런 물질은 제품의 수명을 연장하고 안전성을 높이며 유지 관리비를 경감함으로써 제품의 생산비를 낮출 수 있을 것이다. 군사 및 민간기관, 연구기관, 대학 등이 이 분야 기술개발에 깊은 관심을 기울이고 있다. 현재 적용하려고 검토중인 분야는 주로 건축 및 항공기산업이지만 현 단계에서는 적용분야보다는 자기회복성 물질 개발 자체에 더 큰 관심을 기울이고 있다. 관련업체는 먼저 물질의 상용화에 힘쓴 후 자기회복 구조, 장치, 소비제품 등 부가가치 제품을 개발해야 할 것이다.
지금까지는 구조물을 수리 또는 보수할 때 문제가 있는 부분을 잘라내고 그 위에 수지를 덧붙이든가 손상된 부분에 수지를 주입하는 방식을 사용해왔다. 이 방법은 많은 시간과 비용·인력이 소요된다. 그러나 자기회복성 물질이나 그 구조물은 미세 균열 같은 손상된 부분을 스스로 감지하고 손상된 물질이나 그 구조의 특성에 영향을 주지 않고 자율적으로 수리할 수 있다. 이처럼 자기회복성 물질은 수리대상 물질의 전반적인 특성이나 기능에 영향을 주지 않으면서 손상된 부분을 자율적으로 감지하고 수리한다. 수리한 후에도 강도나 견고성 등 그 물질과 구조물의 본래의 특성을 잃지 않으며, 여러 환경조건에서도 자율적으로 적절하게 수리가 가능하다.
현재 이 분야에서는 주로 구조물의 균열을 보수하고 구조물의 원형 및 견고성을 회복시키는 데 필요한 물질 개발에 주력하고 있다. 형상기억 합금, 물질내 화학적 특성 회복 매체, 분자 자기 결합기술 등 기존의 기술을 이용해 자기회복성 물질시스템을 상용화할 수 있을 것이다. 기존 기술로 소형화되고 있는 부품을 수리하려면 자기 결합 기능이 특히 중요하다.
합금이나 폴리머와 같은 형상기억 물질은 안경테나 의료기기에 사용되고 있다. 형상기억 물질은 온도의 변화나 전기 충격을 가하면 형체가 변했다가 다시 원상태로 돌아오는 특성을 갖는다. 또 이 물질은 복잡한 물질에 들어가서 균열을 막는 역할을 한다.
미소 구체나 섬유 안에 있는 화학적 회복 매체가 함유된 화합물질은 자기수리가 가능하다. 형상기억 물질과 화학적 회복 매체는 복잡한 활동을 통해 그런 특성을 나타내지만 생물 시스템의 자기 치료 기능에 비하면 별로 복잡하다고 할 수 없다. 생체는 어느 부위에 상처가 나면 백혈구·적혈구·단백질 등이 활동해 상처부위를 보호하고 영양이 공급돼 상처 부위에 새로운 세포가 자라도록 하는 등 매우 복잡한 활동을 벌인다. 연구원들은 이런 생체활동을 모방해 손상된 부분을 치유하려는 연구를 추진하고 있다. 이와 함께 앞으로 분자 자기결합 특성을 가진 자기회복성 물질을 마이크로 전자나 나노전자 제품 디자인에 사용할 수 있을 것이다.
이 분야에 대한 연구가 활발히 이뤄지고 있지만 상용화에는 넘어야 할 기술적인 장애물이 아직 많이 남아 있다.
자기회복성 물질은 자동차 문짝, 각종 완충장치, 스포츠 기구, 의복 등 광범위한 분야에 활용될 수 있다. 미세 균열이나 여러 가지 형태의 손상이 나서는 안되는 모든 제품에 이 물질을 사용할 가능성이 있다. 현재 건설 및 항공기, 선박, 자동차 등 교통수단에 가장 많이 사용되고 있다. 또 전자산업에서도 이 물질을 많이 이용할 전망이다. 전자 회로기판에는 앞으로 5년 이내에 채용될 수 있을 것으로 보인다.
그러나 자기회복성 물질의 상용화가 성공적으로 이뤄지려면 가격·양산기술·수요 등이 중요한 요소로 작용할 것으로 예상된다. 또 재활용 문제도 만만치 않다. 유럽위원회(EC)는 이미 광섬유 함유 폴리머 합성물을 재활용할 때에는 광섬유를 분리하도록 규제하고 있다.
◇탄소나노튜브=탄소나노튜브(CNT)는 지난 91년 일본 NEC의 수미오 이지마가 개발한 기술로 그는 탄소원자 박판으로 구성된 직경이 몇 나노미터되는 매우 미세한 튜브를 발견했다. 탄소나노튜브의 형태는 단일벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 단일벽 탄소나노뿔 등 여러 가지가 있다. 현재 탄소나노튜브를 합성하는 데는 다이아몬드와 흑연 등 탄소물질을 사용하고 있다.
탄소나노튜브는 21세기의 가장 혁신적인 소재기술이라 할 수 있다. 탄소나노튜브는 이상적인 열 및 전기 전도체로 극히 강하고, 화학적으로 불활성이며, 독성이 없는 특성을 갖는다.
과학자들은 탄소나노튜브의 상용화 가능성을 연구하고 있다. 일부 연구원들이 탄소나노튜브의 합성방법과 그 특성을 찾는 데 노력을 기울이고 있는 반면 다른 연구원들은 이를 사용한 발광장치, 탐색장치, 센서, 에너지 및 저장장치 등을 개발중이다. 이 부문 기술의 상용화에 대한 관심이 계속 높아져서 이를 이용한 새로운 형태의 구조물과 장치가 개발될 것으로 보인다.
이처럼 탄소나노튜브 기술은 기존 산업에 대한 파괴력이 있기 때문에 기업체들은 이에 관심을 기울일 필요가 있다. 가령 탄소나노튜브는 기존 전자제품의 성능을 크게 향상시킬 수 있을 뿐 아니라 차세대 전자기술의 개발을 가능하게 할 것이다. 하지만 현재는 다른 소재물질과의 치열한 경쟁, 높은 생산비용, 양산기술 부족 등의 문제를 안고 있다.
탄소나노튜브에 대한 관심이 높은 이유 중 하나는 전도성을 갖고 있다는 것이다. 탄소나노튜브는 구조에 따라 그 전기적 전도성이 절연 상태에서 반도체 상태, 또 구리보다 높은 전기적 상태에 이르기까지 광범위하다. 또 탄소나노튜브는 특이한 기계적 특성도 갖고 있는데 이것이 관심을 끄는 부분이기도 하다. 이와 함께 탄소나노튜브는 약간의 구조적 변화에도 민감한 반응을 일으킨다. 이런 기능적 특성은 나노기술분야에서 매우 중요하다. 하지만 탄소나노튜브 기술은 합성할 때 크기와 방향을 제어하기가 매우 어려운 데다가 양산기술과 시설이 없어서 상용화의 걸림돌이 되고 있다.
그럼에도 탄소나노튜브는 다른 많은 소재보다 여러 가지 장점이 있기 때문에 산업계가 깊은 관심을 가지고 관련기술을 개발하고 있다. 적용분야는 탐색기, 합성폴리머, 전계발광디스플레이(FED), 센서, 수소 및 이온저장장치, 단일전자 트랜지스터, 초강력 합성물 구조 등 다양하다.
그러나 인식이 부족하고 분석기술이 없기 때문에 탄소나노튜브의 장점이 제대로 평가받지 못하고 있다. 또 이 물질은 생산비용이 높기 때문에 가까운 장래에 수요가 발생할지는 아직 확실치 않다. 비록 가격은 계속 내려가겠지만 가격이 싼 경쟁물질이 많아 중단기적으로는 경쟁물질 제품이 우세할 것으로 보인다. 또 업체에 따라 가격이 천차만별인 것도 문제다.
앞으로 탄소나노튜브 업체들은 무엇보다도 양산기술과 생산 단가를 낮춰야 시장이 확대될 것이다. 이를 위해서는 연구개발에 더 많은 투자가 필요하고, 정부기관과 산업계가 계속 연구개발비를 지원해야 할 것이다. 이 부문에 특히 깊은 관심을 가질 수 있는 산업계는 고성능 합성 구조물을 필요로 하는 건설 및 교통산업계, 나노전자 제품의 개발을 추진중인 전자업계, 더 우수한 전극과 저장물질을 필요로 하는 에너지 및 저장업계 등이다.
◇관련기관 및 업체=자기회복성 물질은 현재 방위산업, 엔지니어링, 전자산업분야에서 연간 약 2000만톤을 사용하고 있으나 이 물질의 상용제품 채용시기나 시장규모는 예측하기 어렵다. 하지만 각국 정부기관, 군사 및 건설기관들이 자기회복성 물질에 깊은 관심을 갖고 있다. 특히 보잉과 모토로라는 일리노이대학이 개발한 자기회복성 플라스틱을 항공기체와 전자회로기판에 각각 채용하겠다는 뜻을 밝혔으며, 일본의 NKK그룹과 미쓰비시화학 첨단물질연구센터는 이 부문 기술개발에 투자한다는 계획을 발표했다.
현재 자기회복성 물질을 개발하는 기관은 대부분 대학이나 연구기관들이다. 미국에는 일리노이대학을 비롯해 MIT·국립로스앨러모스연구소·NASA랭글리연구센터·노스웨스턴대학·캘리포니아대학·미시간대학 등이 있다. 또 일본에서는 오사카대학과 빌딩연구소가 기술을 개발중이며 스위스의 에콜 폴리테크닉 페더럴 드 로잔(Ecole Polytechnique Federale de Lausanne)과 중국 칭화대학도 관련기술 개발에 참여하고 있다.
탄소나노튜브가 앞으로 20년 안에 상용화되고 적용 제품시장이 형성될지는 아직 예측할 수 없다. 그러나 이 분야 기술을 개발하는 연구기관과 기업체들이 늘어나고, 많은 시간과 연구개발 자금을 투자하고 있어 획기적인 기술이 개발될 것으로 기대되고 있다. 이들 연구기관이나 기업체들은 주로 합성기술, 양산기술, 부가가치 제품의 상용화 기술에 주안점을 두고 있다.
탄소나노튜브 소재를 개발하는 연구기관이나 업체는 카보렉스·카본나노테크놀로지스·히페리온커탤러시스인터내셔널·로제타홀딩스·RTP컴퍼니 등이다. IBM·NEC기초기술연구소·오사카개스·쇼와 덴코KK·소니 등은 소재뿐 아니라 정보처리 장치, 에너지 및 저장장치 등을 개발하고 있다. 또 삼성 요코하마연구소와 ISE일렉트로닉스는 정보처리장치를, 중국 광저우 요즈크포인트 신에너지 과학기술개발사는 소재와 에너지 및 저장장치를 개발중이다.
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