일본 화학·제지기업들이 CNT(Cellulose Nano Tube) 적용을 본격화하고 있다.
CNT는 탄소원자가 육각형으로 결합돼 튜브 형상을 나타내고 있으며 가볍고 강도가 높을 뿐만 아니라 전기·열 전도가 우수해 용도 개발을 확대하고 있다.
Katano, 단층 MB에서도 안정분산
Katano Senkaku는 CNT 마스터배치를 개발했다.
다층 CNT 마스터배치 사업에서 축적한 분산 노하우를 활용해 컴파운드화 후 안정 분산도 실현했으며 다층 CNT 마스터배치에 비해 소량으로 기능을 발휘할 수 있어 자동차부품 등에서 폴리올레핀(Polyolefin)용으로 제안할 계획이다.
다층 CNT 마스터배치는 도전패스 성형을 최적화하는 가공조건 조정 등 기존에 축적해온 노하우를 공개함으로써 수요기업의 신제품 개발속도 향상 및 코스트 감축에 기여할 방침이다.
Katano Senkaku가 개발한 것은 컴파운드화한 후에도 수지 등으로 안전 분산을 실현시킨 단층 CNT 마스터배치로, 표준제품 CNT 농도를 1%로 설정하고 PP(Polypropylene), PA(Polyamide), PET(Polyethylene Terephthalate) 등 올레핀계로 라인업을 갖추었다.
다층 CNT에 비해 소량만 사용해도 기능을 발휘할 수 있는 것이 특징이고 PP 시트화했을 때에는 CNT가 0.005wt(중량)%로 체적저항률 1.0×10의 5승Ω/cm를 실현했다.
또 투명하고 착색 도전성 필름 제조도 가능하며 샘플 공급체제를 정비해 2019년 6월부터 수요처에게 소개하고 있다.
단층 CNT는 직경이 2나노미터 이하로 다층에 비해 비표면적이 크기 때문에 안정 분산이 어려운 것으로 알려져 있다.
하지만, Katano Senkaku가 분산화를 실현하기 위해 다층 CNT 마스터배치 분야에서 축적해온 25년 이상의 수지 분산 노하우를 응용해 해결한 것으로 알려졌다.
다층 마스터배치는 노하우 무상 공개
다층 마스터배치는 이데미츠코산(Idemitsu Kosan)의 PP계 수지를 분산시킨 핵심소재로, 도전 분량과 표면을 흐트러뜨리는 촉매 잔사현상의 발생을 억제시키는데 도움이 되고 있다.
용융, 성형 후에도 분산성을 유지할 수 있고 수지 물성 저하도 억제하고 있다.
다만, 수지 분산은 실현했으나 수지 고화 때문에 CNT가 한쪽에 몰리거나 근접하는 문제가 있는 것으로 알려졌다.
도전성 발현에는 CNT 끼리 적절한 근접이 요구되기 때문에 용융점도, 금형온도 등 성형가공조건과 필러 사용 등 다양한 변수를 억제할 필요가 있다.
Katano Senkaku가 다층 CNT 마스터배치 사업을 추진하는 가운데 수요기업들로부터 해당 문제로 사용이 어렵다는 곳들이 많았기 때문에 그동안 자체적으로 축적해온 노하우를 무상으로 공개하고 지원 사업체제를 본격화해 CNT 산업화에 탄력을 불어넣고 있다.
앞으로 CNT 마스터배치가 적용될 것으로 기대되는 용도는 자동차부품, 공업부품 등 정전도장용 프라이머 분야이다.
뛰어난 도전성을 사용하면 수지 캡에 적용할 때 내부에서 금속과 동등한 품질을 발휘할 수 있는 것으로 알려졌으며, 도전효율은 높이면서 전체 코스트는 줄이는데 도움이 될 것으로 파악되고 있다.
또 도전성 원사, 부직포, 필름, 전자파 흡수체 등 광범위한 분야에서 수요처들의 신제품 개발이 이루어지고 있는 가운데 양호한 분산성을 활용하고자 하는 곳들이 많아 출하량을 늘리고 있는 것으로 알려졌다.
Katano Senkaku는 1952년 설립돼 안료 분산, 미세 필러 분산 등으로 사업을 확대하면서 분산기술을 축적해왔다.
CNT 수지와 엘라스토머 분산에는 1992년부터 관심을 나타내기 시작했으며 실리콘 고무 배합 분야에서 일본 최초로 채용실적을 거둔 바 있다.
직원들은 CNT 합성 경험이 있는 화학자, 수지 기술자, 분석 기술자, 프로세스 기술자, 카본블랙(Carbon Black) 경험이 풍부한 전문가 등으로 구성돼 있다.
수요기업들의 신뢰가 두터운 편이고 국내외 메이저 수요처들로부터 기술 지도에 대한 문의도 받고 있는 것으로 알려졌다.
TNS, 장척 CNT 가공제품 다양화
Taiyo Nippon Sanso(TNS)는 CNT의 용도 개척에 주력하고 있다.
장척 CNT 제조기술과 균일하게 혼합할 수 있는 분산기술을 바탕으로 외부와 연계를 통한 오픈 이노베이션을 활용함으로써 다양한 가공제품을 개발하고 있다.
반도체 장치와 항공·우주, 의료, 차세대 배터리용 소재 등 첨단기술 분야에서 수요를 발굴하는 것을 목표로 하고 있다.
TNS는 CNT를 기판공법으로 알려진 독자적인 프로세스로 생산했으며, 결정의 핵심인 촉매를 형성한 실리콘(Silicone) 기판을 섭씨 700도로 가열한 분해로 안에서 원료가스를 투입함으로써 단번에 결정을 성장시키는 작업을 거치고 있다.
일반적으로 채용되고 있는 기상유동공법에 비해 코스트가 높은 편이나 결정성이 높고 길이 제어가 가능하며 선형으로 조합한 CNT를 풀어내는 작업을 생략할 수 있다.
완성된 CNT는 브러시 솔처럼 직경과 길이가 동일하며 평균 직경이 5-20나노미터(4-12층), 길이는 최대 600마이크로미터로 긴 편이다.
장척 CNT는 소량을 첨가하는 것만으로 강도와 도전성, 열전도성 등을 발휘할 수 있다.
정전기 대전을 막는 도전성을 부여하기 위해 단척 CNT는 중량대비 1% 첨가가 필요하지면 해당 장척 CNT는 0.05%만 첨가해도 되는 것으로 알려졌다.
불순물 혼입을 기피하는 용도에서 극소량만 첨가해도 되기 때문에 사용이 용이한 것으로 평가된다.
반도체·의료에서 전지·항공까지…
장척 CNT는 용액 분산이 어려우나 응집을 막는 계면활성제 등을 개선시킴으로써 균일하게 섞을 수 있도록 했고 해당 기술을 바탕으로 외부 대학 등과 공동으로 PTFE(Polytetrafluoroethylene)에 CNT를 혼합한 도전성 불소수지를 개발했다.
또 Daikin 그룹기업인 Toho Kasei와는 PCTFE(Polychlorotrifluoroethylene)를 사용한 도전성 불소수지를 공동 개발했다.
내약품성이 뛰어난 불소수지는 제조장치 부재에 사용되고 있으나 절연성이기 때문에 액체와 접촉하면 정전기가 발생할 수 있어 도전성 불소수지를 부재로 사용하면 정전기에 따른 트러블을 막을 수 있다.
실리콘 기판 위에 미세한 회로를 새기는 로직계 반도체 제조장치, 반도체 제조 등에 사용하는 초고순도 약액이나 인화하기 쉬운 화학제품 제조장치용 부재 등이 유력 용도로 기대되고 있다.
기계 생산기업인 Murata Machinery와는 CNT만을 사용한 방적사 제조기술을 공동으로 개발했다.
근접한 CNT 사이에서 움직이는 분자 간 인력을 이용해 CNT가 형성된 상태에서 원사를 직접 뽑아낼 수 있도록 한 것으로, 해당 원사를 엮는 기술도 확립한 것으로 알려졌다.
CNT 방적사는 도전성과 신축성 등을 살려 액추에이터나 센서 등 산업로봇용 부재, 강한 방사선에 노출될 수 있는 항공·우주부품, 진공 상태인 우주 공간에서 사용하는 컴퓨터 등에서 열을 내보내는 방열부재, 뇌 활동을 파악하는 뇌자도(Magnetoencephalography) 등에 사용하는 전선소재 등에 투입이 가능할 것으로 예상된다.
고용량에 안전성이 높은 전고체전지와 공기2차전지, 차세대 LiB(리튬이온전지) 등이 실용화되면 차세대 전극소재로 장척 CNT가 주목받을 가능성도 제기되고 있다.
현재 CNT는 LiB의 성능을 안정화시키는 도전조제 용도로 사용되고 있으며 공기2차전지 양극재에는 다공질 구조 탄소소재로 투입이 가능할 것이라는 연구결과가 최근 발표됐다.
또 차세대 LiB 고속 충방전화에 대응하기 위해서는 전기저항이 적고 가벼운 소재가 필요하기 때문에 전극 집전체가 금속계에서 탄소계로 전환될 것으로 예상되고 있다.
TNS는 장척 CNT만이 이끌어낼 수 있는 기능들을 활용해 배터리 생산기업들에게 제안할 방침이다.
장척 CNT 제조기술과 균일하게 혼합할 수 있는 분산기술을 바탕으로 외부와 연계를 통한 오픈 이노베이션을 활용함으로써 다양한 가공제품을 개발하고 있다.
반도체 장치와 항공·우주, 의료, 차세대 배터리용 소재 등 첨단기술 분야에서 수요를 발굴하는 것을 목표로 하고 있다.
TNS는 CNT를 기판공법으로 알려진 독자적인 프로세스로 생산했으며, 결정의 핵심인 촉매를 형성한 실리콘(Silicone) 기판을 섭씨 700도로 가열한 분해로 안에서 원료가스를 투입함으로써 단번에 결정을 성장시키는 작업을 거치고 있다.
일반적으로 채용되고 있는 기상유동공법에 비해 코스트가 높은 편이나 결정성이 높고 길이 제어가 가능하며 선형으로 조합한 CNT를 풀어내는 작업을 생략할 수 있다.
완성된 CNT는 브러시 솔처럼 직경과 길이가 동일하며 평균 직경이 5-20나노미터(4-12층), 길이는 최대 600마이크로미터로 긴 편이다.
장척 CNT는 소량을 첨가하는 것만으로 강도와 도전성, 열전도성 등을 발휘할 수 있다.
정전기 대전을 막는 도전성을 부여하기 위해 단척 CNT는 중량대비 1% 첨가가 필요하지면 해당 장척 CNT는 0.05%만 첨가해도 되는 것으로 알려졌다.
불순물 혼입을 기피하는 용도에서 극소량만 첨가해도 되기 때문에 사용이 용이한 것으로 평가된다.
반도체·의료에서 전지·항공까지…
장척 CNT는 용액 분산이 어려우나 응집을 막는 계면활성제 등을 개선시킴으로써 균일하게 섞을 수 있도록 했고 해당 기술을 바탕으로 외부 대학 등과 공동으로 PTFE(Polytetrafluoroethylene)에 CNT를 혼합한 도전성 불소수지를 개발했다.
또 Daikin 그룹기업인 Toho Kasei와는 PCTFE(Polychlorotrifluoroethylene)를 사용한 도전성 불소수지를 공동 개발했다.
내약품성이 뛰어난 불소수지는 제조장치 부재에 사용되고 있으나 절연성이기 때문에 액체와 접촉하면 정전기가 발생할 수 있어 도전성 불소수지를 부재로 사용하면 정전기에 따른 트러블을 막을 수 있다.
실리콘 기판 위에 미세한 회로를 새기는 로직계 반도체 제조장치, 반도체 제조 등에 사용하는 초고순도 약액이나 인화하기 쉬운 화학제품 제조장치용 부재 등이 유력 용도로 기대되고 있다.
기계 생산기업인 Murata Machinery와는 CNT만을 사용한 방적사 제조기술을 공동으로 개발했다.
근접한 CNT 사이에서 움직이는 분자 간 인력을 이용해 CNT가 형성된 상태에서 원사를 직접 뽑아낼 수 있도록 한 것으로, 해당 원사를 엮는 기술도 확립한 것으로 알려졌다.
CNT 방적사는 도전성과 신축성 등을 살려 액추에이터나 센서 등 산업로봇용 부재, 강한 방사선에 노출될 수 있는 항공·우주부품, 진공 상태인 우주 공간에서 사용하는 컴퓨터 등에서 열을 내보내는 방열부재, 뇌 활동을 파악하는 뇌자도(Magnetoencephalography) 등에 사용하는 전선소재 등에 투입이 가능할 것으로 예상된다.
고용량에 안전성이 높은 전고체전지와 공기2차전지, 차세대 LiB(리튬이온전지) 등이 실용화되면 차세대 전극소재로 장척 CNT가 주목받을 가능성도 제기되고 있다.
현재 CNT는 LiB의 성능을 안정화시키는 도전조제 용도로 사용되고 있으며 공기2차전지 양극재에는 다공질 구조 탄소소재로 투입이 가능할 것이라는 연구결과가 최근 발표됐다.
또 차세대 LiB 고속 충방전화에 대응하기 위해서는 전기저항이 적고 가벼운 소재가 필요하기 때문에 전극 집전체가 금속계에서 탄소계로 전환될 것으로 예상되고 있다.
TNS는 장척 CNT만이 이끌어낼 수 있는 기능들을 활용해 배터리 생산기업들에게 제안할 방침이다.
