일본산업뉴스요약

나노 소재 ‘탄소 3종류”에 주목
그래핀∙CNT∙플러렌으로 탈 탄소 사회 구현

2017년은 영국과 프랑스 정부가 2040년까지 가솔린차와 디젤차의 국내 판매를 금지하는 방침을 내놓는 등 ‘탈 탄소’ 흐름이 가속화된 한 해였다. 2018년은 탈 산소 사회의 실현을 위해 소재로서의 탄소가 가진 힘에 관심이 집중될 전망이다. 인위적으로 탄소의 결정 구조를 정비해 다양한 성질을 만들어낸 3종류의 나노 소재가 전기자동차(EV) 및 태양광 발전의 과제를 돌파할 원동력이 될 것이다.

-- EV 및 태양광 발전의 실용화를 목표 --
차량 탑재용 리튬이온전지의 재료인 세퍼레이터(절연막)에 강점을 가진 도레이. 도레이가 차기 주자로 내놓은 것이 배터리의 전극에서 고출력과 용량을 이끌어내는 전도보조제의 역할을 하는 ‘그래핀’이다. 2018년 EV의 성능을 비약적으로 향상시킬 수 있는 신형 배터리로의 도입을 목표로 하고 있다. “전고체배터리에서도 개발을 추진하고 있다”(닛카쿠(日覚) 사장).

그래핀은 탄소 원자가 벌집 형태로 결합된 시트형태, 또는 시트의 적층물로, 높은 전도성과 강도를 가지고 있다. 도레이의 그래핀은 두께가 3~5나노미터로 타사 제품에 비해 4분의 1에서 20분의 1로 얇아, 플렉시블한 것이 특징이다.

전자의 전달을 높여주는 보조제에는 현재 흑연탄소가 사용되지만, 공 모양을 하고 있어 정극재와는 점으로 밖에 접착되지 않는다. 하지만 시트 형태인 그래핀의 경우 면으로 접착이 가능해 그 만큼 전도성을 높일 수 있다. 또한 정극재를 넓은 표면적으로 채울 수 있어 용량도 높일 수 있다. 실증 실험에서는 배터리의 고속 방전 시 출력이 최대 2배로, 전기자동차의 항속거리가 최대 20% 향상되었다고 한다.

그래핀의 열전도성은 구리의 10배로, 강도는 강철의 20배, 전기가 흐르는 용이성은 구리의 1,000배이다. 일본제온이 2019년에 발매 예정인 방열 시트에는 ‘검은 다이아몬드’라고 불리며 촉망 받는 미래 소재 ‘단층 탄소나노튜브(CNT)’가 섞여 있다.

CNT는 탄소 원자가 벌집 형태로 결합한 튜브 형태의 구조를 가지고 있다. 직경은 수 나노미터 정도로, 튜브가 여러 겹으로 쌓인 다층형과 한 층만으로 이루어진 단층형으로 나뉘어진다. 특히 생산이 어려운 단층형은 가볍지만 다이아몬드 수준의 열전도성과 강한 강도를 가지고 있다.

일본제온은 산업기술종합연구소와 공동 연구를 추진, 도쿠야마(德山)공장(야마구치(山口) 현)에서 세계 최초로 단층CNT의 양산 기술을 확립했다. 2018년에 본격적인 생산에 돌입할 예정이다.

CNT만의 판매도 상정하고 있지만, “주목하고 있는 것은 방열성과 전기 전도성을 살린 용도 개발이다”라고 일본제온의 다나카(田中) 사장은 말한다. 제품화된 첫 번째 제품은 방열 시트. 반도체 칩 등에 부착하면 열에 의한 비정상적인 동작을 방지할 수 있다. 향후에는 방열 재료로써 매출을 700억엔으로 늘릴 계획이다.

“연구자를 매료시킨 소재이다”. 쇼와전공(昭和電工)의 첨단기술개발연구소(지바(千葉) 현)의 고야마(小山) 소장이 이와 같이 장담하는 것은 ‘플러렌’. 60개의 탄소가 축구공 형태로 결합된 독특한 물질이다. “알면 알수록 흥미롭다”라고 고야마 소장은 말한다.

쇼와전공은 미쓰비시상사와 제휴해 가와사키(川崎)사업소(가와사키 시)에서 소규모 양산 설비를 정비했다. 현재 플러렌은 화장품에 혼합되어 사용되는 사례는 있지만, 쇼와전공이 노리는 것은 차세대 태양전지의 유기박막태양전지. 에너지 변환 효율이 높은 배터리를 실현하기 위해서는 플러렌이 꼭 필요하다. “공 형태이기 때문에 빛이 어느 각도에서 닿아도 기능을 발휘할 수 있다”(고야마 소장)라고 한다.

“플러렌은 ‘라면의 후추’와도 같다”라고 말하는 고야마 소장. 기존 제품에 소량 첨가한다면 무엇인가 변화가 일어나게 될 것이라고 말한다. “플러렌에 관계된 양산 기술과 특허를 한 회사에서 모두 가지고 있는 것은 전세계에서 쇼와전공 밖에는 없다”라고 소야마 소장은 단언한다.

‘꿈의 소재’ 로서 오랜 기간 연구를 이어 온 그래핀∙CNT∙플러렌의 ‘탄소 3종류’가 드디어 실용의 무대에 그 모습을 드러내고 있다.

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