화학저널

SK머티리얼즈, MNC와 파트너십 체결 … 제온, 2026년까지 양산

단층(SW: Single Walled) CNT(Carbon Nano Tube) 양산 프로젝트가 본격화되고 있다.
CNT 가운데서도 1개층의 시트형 탄소분자가 원통형을 이루는 단층형은 튜브가 동심원 형태로 겹쳐지는 다층형보다 도전성이 우수해 LiB(리튬이온전지) 도전조제로 주목받고 있다.
LiB용 도전조제는 다층(MW: Multi Walled) CNT를 비롯한 탄소 소재를 사용하는 것이 일반적이나 단층 CNT를 적용하면 더 적은 양을 첨가해도 성능을 개선할 수 있어 활물질량 확대를 통한 배터리 고용량화가 가능하다.
배터리 생산기업들이 단층 CNT에 주목하는 가운데 SK머티리얼즈는 최근 일본 CNT 스타트업 MNC(Meijo Nano Carbon)와 LiB 사업·자본 파트너십을 체결했다.
양사는 1-2년 안에 양산기술을 검증하고 전기자동차(EV)용 LiB 성능 향상을 위한 도전조제로 단층 CNT를 공급할 계획이다.
MNC는 MEIJO eDIPS법으로 불리는 독자적인 고순도 단층 합성기술을 보유한 것으로 알려졌다. 화학적 기상증착법(CVD)에 기반한 단층 CNT 합성기술로 고결정성, 고순도, 고종횡비 등의 특성을 지닌 단층 CNT를 연속생산할 수 있는 점이 특징이다.
양사는 검증 결과에 따라 조기에 생산체제를 건설할 방침이다. 공장 입지를 비롯한 세부사항은 검토를 앞두고 있으나 SK머티리얼즈가 MNC로부터 기술 라이선스를 받는 형태로 양산공장을 건설하는 방안이 유력하게 거론되고 있다.
MNC의 단층 CNT는 우수한 도전성 뿐만 아니라 높은 종횡비 덕분에 도막 강도를 강화하는 효과가 있을 것으로 예상되며, 전극 형성에 사용하는 접착제 사용량을 줄여 내부저항을 낮추고 충·방전 사이클 특성을 개선해 배터리 장수명화로 이어지는 효과도 기대할 수 있다.
아울러 단층 CNT는 LiB 고용량화 기술로 주목받는 실리콘(Silicone) 음극재의 한계를 극복하는 방안으로도 기대를 모으고 있다.
실리콘 음극재는 주류인 흑연계 대비 이론 축전량과 항속거리가 약 10배에 달하지만 충·방전 시 팽창·수축이 커 배터리가 쉽게 열화되는 단점이 있다.
하지만, 종횡비가 큰 단층 CNT를 도전조제에 적용하면 실리콘 음극재의 부피 변화를 완화하고 충·방전을 반복해도 도전경로를 유지하기 쉬운 메리트가 있어 배터리 설계 범위가 확대된다.
SK머티리얼즈는 MNC와의 협업을 통해 LiB 도전조제용으로 단층 CNT 양산화를 달성하고 SK온 등 계열사에게 공급하는 방안을 검토할 계획이다.
제온(Zeon) 역시 2026년 단층 CNT 신규 그레이드 양산을 목표로 하고 있다.
제온은 도전성과 장척성, 기계적 강도가 우수한 단층 CNT의 특징을 살릴 수 있는 분야로 차세대 배터리인 리튬공기전지 뿐만 아니라 기존 LiB 양·음극 도전조제가 사업성이 있다고 판단했다.
신규 그레이드는 2022년 도쿠야마(Tokuyama) 공장에서 증설한 설비로 양산할 예정이며 기존제품의 강점을 답습하면서 양산성이 우수하고 코스트 경쟁력이 충분한 그레이드를 생산하기 위해 설비를 정밀 조정하고 있는 것으로 알려졌다. 양산규모는 최종적으로 상업화할 사양에 맞추어 결정할 것으로 예상된다.
제온은 2015년 도쿠야마 공장에 단층 CNT 양산설비를 건설하고 ZEONANO SG101 공급을 시작했으며 CNT 분산액 종류와 분산 정도를 제어함으로써 CNT 섬유가 뭉치는 정도와 길이를 변경해 고기능 소재 및 일렉트로닉스 등 다양한 용도를 개척했다.
신규 그레이드는 LiB 도전조제용 수요 증가에 대응하고 기존 그레이드는 2024년 반도체 프로세스 정전기 방전(ESD)용으로 공급할 예정이다. 양산기술 개선 및 증설을 통해 단층 CNT의 특징을 살릴 수 있는 분야에서 안정적인 시장점유율을 획득하려는 전략으로 풀이된다.
반도체 프로세스용 ESD용으로 개발하고 있는 단층 CNT와 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 수지 복합소재는 2024년에 상업화가 가능할 것으로 예상된다.
PTFE는 내약제성이 강해 반도체 프로세스에서 자주 사용되나 절연체이기 때문에 ESD 측면에서 어려움이 있지만 제온의 단층 CNT를 적용하면 소량만 첨가해도 정전기 대책이 가능해 수요기업으로부터 호평을 받았다.
아울러 제온은 유럽연합(EU)의 일부 CNT 규제 움직임에 대해 차아염소산 표백제로 CNT를 완전히 분해할 수 있음을 증명하고 토양 미생물로 CNT를 분해하는 연구를 진행하고 있다. 
제온의 단층 CNT는 규제 대상에서 제외될 것으로 예상되나 CNT 실용화에 전반적으로 영향을 미칠 것으로 판단하고 EU에 대한 로비 활동을 이어갈 방침이다.
국내에서는 금호석유화학이 율촌산업단지에 CNT 360톤 플랜트를 증설해 생산능력을 480톤으로 4배 확대하고 2024년 가동할 예정이며, LG화학은 2025년까지 CNT 생산능력을 2900톤에서 6100톤으로 확대할 계획이다. (윤우성 선임기자)