탄소나노튜브가 최근 철강 이상의 파괴력을 가진 ‘꿈의 신소재’로 꼽히고 있다. 왜일까? 기존의 모든 소재를 압도하는 탁월한 물성(物性) 때문이다. 우선 강도. 강철보다 100배 이상 강하고, 탄소섬유보다 우수한 섬유를 만들 수 있다. 다음은 빛. 탄소나노튜브는 효율이 아주 높은 빛을 얻을 수도 있다. 다시 말해 생활용품과 수소연료 전지·IT 제품 등 만병통치약처럼 활용가능성이 무한하다. 세계 각국은 지금 탄소나노튜브 기술 개발 열풍에 휩싸여 있다. 1991년 첫 발견된 이후 무려 2만 편 이상의 논문이 쏟아졌다. 미국 나노조합이 예측하는 2010년 나노기술 산업 규모는 1조달러(약 950조원). 핵심 소재로 꼽히는 탄소나노튜브 시장 규모는 6조원대로 추산된다.
■ 육각형 탄소 원통의 마술
탄소나노튜브는 탄소 6개로 이루어진 육각형들이 관(管)모양으로 연결된 원통(튜브) 모양의 신소재다. 1991년 일본 NEC 연구소 이지마 박사가 전자 현미경으로 가늘고 긴 대롱 모양의 다중벽 구조 물질을 관찰하는 데 처음으로 성공했다. 튜브를 연결하는 관 하나의 지름이 수십 나노미터(1 나노미터는 10억분의 1m·머리 카락의 10만분의 1 굵기)에 불과, 탄소나노튜브로 명명됐다. 1998년에는 보스턴대 연구팀이 고순도 탄소나노튜브 합성에 성공, 양산화의 기틀을 마련했다. 구조물이 말린 형태에 따라 단층벽(single wall)·다중벽(multi-wall)·다발형 나노튜브(rope nanotube)로 나뉜다. 불순물을 첨가하거나 튜브를 다발로 포개 놓으면 반도체 특성이 나타난다.
나노 굵기의 탄소 구조물이 가진 물성은 경이롭다. 강도 외에 전기를 흘리면 LED(발광다이오드)보다 효율이 100배 이상 높은 빛을 낸다. 열전도율은 자연계에서 가장 뛰어난 다이아몬드와 같고 인장력은 다이아몬드를 능가한다. 구리와 같은 수준의 전기 전도율을 가지고 있다. 일반 탄소섬유는 분자 구조의 1%만 변형돼도 끊기지만 탄소나노튜브는 15%가 변형돼도 견딘다. 강철·다이아몬드·구리·섬유 등 산업용 소재의 패러다임을 완전히 바꿀 나노 시대의 핵심 소재로 꼽히는 이유다.
■ 반도체 등의 차세대 핵심 소재
탄소나노튜브는 반도체 분야의 혁명을 가져 올 신물질로 꼽힌다. 탄소나노튜브의 지름을 조절하면 도체(導體)에서 반도체(半導體)로 바뀐다. 이를 이용하면 기존 실리콘의 1만 배인 테라바이트(TB, 1테라바이트=1024기가 바이트)급 집적도를 가진 메모리 칩 설계가 가능하다는 사실이 밝혀졌다. 로봇·자동차·항공기·인공위성 등 첨단 장치의 수명을 연장하고 연료를 획기적으로 절약할 수도 있다. LED보다 효율이 100배 높은 빛을 내는 성질을 이용하면, 두께가 극히 얇고 전력 소모가 극히 적은 브라운관을 만들 수 있다. 필라멘트와 형광등·LED를 대체하는 ‘나노 전구’의 출현이 가능하다. 탄소나노튜브를 이용한 FED(field emission display)는 종래의 디스플레이 소자인 CRT(cathode ray tube)·LCD(liquid crystal display)·LED(light emitting diode)·PDP(plasma display panel) 등을 대체할 차세대 디스플레이 소자로 꼽힌다. 차세대 에너지원으로 뜨고 있는 수소 연료 전지 분야의 활용 가능성도 주목 받고 있다. 전지 무게와 충전 효율을 획기적으로 증대시킬 수 있기 때문이다.
자동차 배터리와 충전용 건전지·노트북 컴퓨터·휴대폰에도 쓰일 수 있다. 단위 질량당 전하 저장능력이 뛰어나 수소 저장 장치의 핵심 소재가 될 것이란 예상이다. 우주복과 같은 초강력 섬유 재료로 쓰일 수 있는 등 의류·패션 산업의 신소재로 기대를 모은다. 전기 전도율과 강도가 우수해 초미세 기계장치의 부품·가스 흡착성센서·탄소와 생체 조직과의 친화성을 이용한 의료용 장치 부품·도료 등 활용 분야는 무궁무진하다. 조선일보
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