WPM 3분과/에너지 절감 및
변환용 다기능성 나노복합소재 개발

이시호 LG화학 테크센터 소재개발 팀장(WPM 3분과 사업단장)

1. 서론
지구온난화에 따른 이상 기후현상 등을 예방하기 위하여 각종 국제적인 환경규제가 이행 중에 있다. 이를 위해 각국에서는 항공기, 자동차 등 수송기계의 무게를 줄여 연비를 개선함으로써 이산화탄소의 발생을 최소화할 수 있는 연구 개발 등 수 많은 노력들이 진행 중에 있다. 이를 실현할 수 있는 방안으로써 제품을 경량화, 고성능화함으로써 기존 알루미늄 등 스틸 제품을 대체할 수 있는 경량 소재를 개발하는 것이다. 즉 탄소나노튜브, 그래핀 등의 나노카본을 고분자와 복합화하여 기존 소재의 경량 고강성, 전자파차폐, 방열 특성 한계 및 경제성을 극복할 수 있는 에너지 절감 및 변환용 다기능성 나노 복합소재를 개발하여 자동차, IT 제품 외장재, 고출력 LED 방열소재 등에 적용함으로써 21세기 운송기기, IT 제품, 조명산업 분야에서 세계적인 선도력을 지속적으로 확보할 수 있는 기술 개발이다. 
탄소나노튜브 및 그래핀 등의 나노카본과 고분자의 복합화를 통한 에너지 절감 및 변환용 다기능성 나노 복합소재는 단기간에 개발될 수 있는 것이 아니며 또한 지구온난화 등에 의한 국제 환경 규제에 적극적으로 대응하기 위해서는 본 소재가 반드시 개발되어야 한다.  따라서 정부는 국제적인 환경 규제에 대응 할 수 있는 소재, 에너지를 절감할 수 있는 소재, 소재의 무게를 획기적으로 저감함으로써 자동차 등 소송기기의 연비를 향상시킬 수 있는 소재를 개발 하기 위하여 `09년 하반기에 WPM (World Premier Materials) 과제를 기획하였다. WPM 과제는 향후 10년의 연구 개발 후 사업화를 통하여 전 세계 시장의 약 1조원 이상이 될 수 있는 소재들 중 대한민국이 M/S로서 30% 이상을 차지할 수 있는 핵심소재에 약 1조원의 연구 개발비를 투자는 최대의 국가과제이다.
우리사업단은 WPM 10개 사업단 중 3분과에 해당되며 사업단명은 ‘나노카본 복합소재 사업단’이다. 총괄주관은 LG화학, 세부주관은 각각 LG화학, 제일모직, 효성이 맡아 차세대 다기능성 경량 나노복합소재의 원천 기술을 개발하고자 노력을 다하고 있다. 본 고에서는 WPM 사업으로 진행되고 있는 에너지 절감 및 변환용 다기능성 나노복합소재의 세가지 세부 기술 개발에 대해 소개를 하고자 한다. 그림 2에 우리 사업단의 구성을 보여준다. 
 
2. 세부과제별 개발 내용
2-1. 초경량 구조용 나노카본 복합소재
1) 소재의 정의
기존의 구조용 보강재료들은 일반적으로 수십 마이크로미터의 직경과 수밀리미터의 길이를 가지는 중간규모(mesoscale)의 크기로, 탄소섬유의 경우 인장탄성율 230~725GPa, 인장강도 1.5~4.8GPa 범위의 기계적 물성을 나타내는 반면, 최근에 기상합성법으로 제조된 단일벽 탄소 나노섬유의 경우는 직경 100nm, 20~100μm의 길이를 나타내며 상대적으로 매우 높은 인장 탄성률 640GPa~1,000GPa 과 인장 강도 150~180GPa을 나타낸다. 나노 단위의 보강재료는 단위 중량당 보다 넓은 표면적을 가짐에 따라 복합체의 기저재료와 보다 큰 접촉력을 제공하여 기존 보강재료의 한계를 극복할 수 있는 초고강성 소재의 제조가 가능하며 자동차와 같은 고강도와 경량화가 요구되는 구조재료 분야에서 나노단위 보강재료, 특히 나노카본은 이상적인 기계적 보강재료이다.
초경량 구조용 나노카본 복합소재는 나노카본, 유기물, 무기물을 고분자 또는 금속 상에 3차원적으로 분산하여 유기물과 무기물, 금속화합물 사이에 물리적, 화학적 결합을 형성하여 기계적 물성의 향상 효과가 기존 복합소재 보다 매우 큰 기능성 소재로써 현재 복합재료에서 획득 불가능한 비강도 및 비강성 영역의 소재를 나노카본 기반 나노 복합소재를 통해 구현할 수 있는 첨단소재이다.
부품의 경량화는 수송기기의 연비개선을 시킬 수 있는 대안으로 떠오르고 있으며 따라서 가능한 모든 자원을 활용하여 수송 부품의 경량화를 이루는 것이 업계에서는 가장 급선무라 할 수 있다. 이러한 요구에 부응하기 위하여 현재 전 세계는 에너지자원을 효율적으로 사용하기 위해 모든 산업분야에 에너지 저소비 및 재생에너지 사용 등의 적극적인 규제와 노력을 경주하고 있으며 특히 자동차등 수송 분야에서는 연비규제 강화에 대한 대응을 위해 모든 소재의 경량화를 우선적으로 추진하고 있다. 따라서, 본 연구가 성공적으로 수행된다면 초경량 자동차 부품에 대한 원천 기술 확보가 가능하여 기존 소재보다 우수한 물성을 가지는 탄소 소재를 활용함으로써 초경량 부품 설계가 가능하고 성형 공정 기술 및 해석 기술 기반을 구축함으로써 해외에 의존하지 않고 독자적인 기술 경쟁력 확보 및 자동차 부품 국산화 기술 개발 개발에 따른 원가경쟁력 확보로 타 산업 부문으로의 확대 적용이 용이할 것으로 생각된다. 특히 국가차원에서 나노카본 복합소재 분야의 기술을 확보할 경우 향후 산업주도권을 확보할 수 있고 국가의 지속적 성장도 가능하다는 관점에서 보면 산업적 파급효과가 매우 클 것으로 예상 된다.

2) 필요 기술 및 개발 내용
초경량 구조용 나노카본 복합소재는 앞에서 언급했듯이 자동차 등 소송기기 등의 부품을 경량화하여 연비 개선 및 에너지 절감으로 환경 문제를 해결할 수 있는 첨단 소재이다. 이를 달성하기 위해서 본 연구에서는 기존 복합재료에서 달성 불가능한 비강도 소재를 i)고분자 및 ii)알루미늄 계 나노카본 복합소재를 통해 구현하고자 한다.
이를 위해서는 나노카본 재료를 i)고분자 및 ii)알루미늄 상에 3차원적으로 효율적인 분산, 배열시키고 물리적, 화학적 결합을 형성하여 기계적 물성이 향상된 기존 복합소재 대비 획기적으로 개선된 구조재 용 소재 개발이 필요하다. 또한 나노카본의 우수한 기계적, 물리적, 화학적 특성을 최대한 발현할 수 있는 기술 개발을 통하여 나노카본 강화 i)고분자 및 ii)알루미늄 복합소재 개발이 필요하다.
- 초경량 고강성 고분자 나노카본 복합소재
탄소나노튜브, 그래핀, 탄소나노파이버 등의 나노카본과 고분자가 복합화되어 알루미늄 대비 경량율이 50% 이상인 초경량 나노카본 복합소재로 미국의 국가 연구기관인 MITRE에 따르면 항공기 동체를 기존의 알루미늄에서 탄소나노튜브 강화 플라스틱으로 대체하였을 경우 약 10%의 연료절감 효과를 낼 수 있을 것으로 예측하고 있다.

초경량 고분자 나노카본 복합소재 적용 분야로는 자동차 Bumper Cover 등 의장부품, 샷시부품 및 파워트레인 부품 등에 적용될 수 있다.
특히 자동차의 부품 중 모터 동력을 기본으로 하는 각 부품들은 금속 재질로 구성되어 있으나 자동차의 연비향상을 위해서는 소재의 경량화가 꼭 필요하다.
- 초경량 고강성 알루미늄 나노카본 복합소재
알루미늄 나노카본 복합소재는 탄소 나노튜브, 그래핀, 그라파이트 등의 나노카본과 알루미늄이 복합화되어 기존소재 대비 경량화율이 50% 이상인 초경량 나노카본 복합소재로써 스포츠 용품, 자동차, 군수장비, 항공기 등 매우 광범위하게 적용될 수 있는 소재이다. 항공 재료 분야는 향후 나노카본 복합체의 활용도가 높아질 것으로 기대되는 분야로 현재 항공 재료는 연비절감, 이착륙 시 활주거리 단축 등의 목적으로 경량화가 요구되고 있다.
초경량 알루미늄 나노카본 복합소재 적용 분야로는 자동차의 FEM 캐리어, 엔진헤드커버, ABS모듈레이터, S/ABS 베이스쉘, C-EPS 웜휠, C-EPS ECU 하우징, MoC 기어, 캘리퍼, EWGA 기어,EPS 하우징, 캘리퍼, 컨트롤암, 메인베어링캡, 콘로드, 인테이크 밸브, 로커암 및 기존 주철 부품에 적용 가능하다.

2-2. 에너지 흡수용 나노카본 복합소재
1) 소재의 정의
휴대용 IT 전자기기의 대중화로 전자기파가 인체의 건강에 미치는 위해성이나 다기능의 소형 IT 기기의 작동에 각 기기의 전자기파 상호 간섭으로 인한 오작동과 같은 위험요소가 존재하여 전자기파 차폐에 대한 요구가 절실하다 할 수 있다. 그리고 자동차와 IT 기기의 결합에 의한 스마트카의 등장으로 내장 전자부품간의 간섭을 차폐하는 것이 자동차 개발에서의 중요한 문제로 등장하고 있다.
이에 대한 해결책중의 하나로 전자파 차폐 소재를 개발하여 저비용으로 차폐를 실현하는 것인데 현재의 기술로는 금속 재질이 가장 효과적이며 유일한 재료라고 할 수 있다, 하지만 금속을 사용하는 경우 높은 가공 비용과 성형성의 제약으로 인해 적용할 수 있는 용도가 한정되므로 본 과제에선 나노카본을 이용한 전자파 차폐용 복합체를 개발하여 현재 금속 소재가 적용되는 분야를 포함하는 전 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
특히, 나노 카본을 이용한 복합소재는 금속소재에 대비하여 가볍고 저렴하며 특히 높은 성형성을 보유하므로 기기 디자인에 대한 제약이 없어 다양하고 미려한 IT 기기를 제조할 수 있게 된다. 고주파 전자부품에의 적용이 가능하며 차세대 정보통신기기 및 로봇에도 적용이 가능한 부품소재가 될 수 있을 것으로 기대 되어 이를 통한 원천소재 기반기술이 확보되고 기술 경쟁력을 가지며 신사업 분야의 수요창출을 이룩할 수 있을 것으로 기대된다.

2) 필요 기술 및 개발 내용
IT 및 자동차용 소재에 적용될 수 있는 에너지 흡수용 소재의 개발을 위해서는 다음과 같은 기술들이 반드시 실현되어야 한다.
 나노카본 복합소재 기계적 강도 향상 기술
 하이브리드 나노카본-자성금속 복합소재 배향/물성 제어기술
 나노카본-자성금속 하이브리드화 기술
 나노카본-금속 및 금속산화물 계면제어 기술
 고농도 나노카본 복합체 유변특성 제어기술
 나노카본/나노다공성 복합화 및 박막화 기술
 나노카본 선택적 화학구조 제어 및 3차원 복합화
 고비표면적 나노카본 3차원 구조제어 기술
 나노카본, 전도성고분자, 금속산화물 나노복합화 기술
 나노카본 복합체 정밀성형 기술
현재 에너지 흡수용 소재의 개발을 위한 원천 기술은 확보되어 있는 상태로 위의 기술들을 통해 소재의 상업화와 성능향상에 집중하여 IT기기의 내외장 및 자동차용 IT 부품에 적용될 수 있는 소재를 개발하며 소재의 개발이 끝나는 시점에서 파일럿을 통한 생산 검증과 양산화를 통해 2014년부터 상업화를 시작으로 적용 부품을 늘려나갈 계획이다. 또한 성능향상을 위한 추가적인 연구를 지속적으로 수행하여 대부분의 금속소재를 대체할 수 있는 기계적 물성과 전기적 특성달성을 목표로 연구가 추진될 수 있다. 특히, 기존 금속재료 대비 나노 카본 복합체는 곡면 가공성 및 미려한 디자인 가능과 같은 장점을 가지고 있어 향후 유망한 로봇산업 분야로 확대될 것으로 기대하고 있다.
IT제품 내외장용 및 자동차용 외에 전자파 차폐재는 다양한 용도로 사용되어지고 있으며 이들의 용도는 우주, 항공, 선박 및 건축에 이용될 수 있다. 그리고 키보드 접점, 히터의 주위, 고압 케이블의 시일드류, 시험기기, 전기통신, 반도체 장비 등에 개스킷, 패킹 등으로 폭넓게 사용되고 있다. 전자파 차폐의 범위는 20~80dB가 일반적이므로 본소재의 개발에 의해 대부분의 범위를 커버하므로 적용할 수 있는 가능성이 높다고 할 수 있다. 그리고 차세대 성장동력인 로봇산업에서도 전자파 차폐 없이는 산업용 및 가정용 로봇의 오동작이 예상되므로 이를 예방하기 위해서는 다양하면서도 우수한 전자파 차폐 재료의 개발이 시급하며 본 제품의 개발에 의해 시장창출이 기대되고 시장을 확대할 것으로 기대된다

2-3. 에너지 절감용 고방열 나노 복합소재
1) 소재의 정의
고방열 나노 복합 소재는 열전도도가 높은 나노 소재와 금속 대비 밀도가 낮은 고분자 소재를 혼합하여 고방열 및 경량화 특성 등을 만족할 수 있는 나노 복합재이다. 기존의 열전도 복합재는 금속과 탄소 계열 소재를 사용하고 있으나, 이종 필러 간의 융합 문제, 필러와 고분자 재료의 혼합에서 발생하는 문제로 인하여 개발 비용 대비 열전달 성능의 한계를 보이고 있다. 본 과제에서는 최근 관심이 급증하고 있는 나노 소재를 이용하여 소재의 분산성 극대화에 의한 고방열 나노 복합 소재를 개발하고, 이에 의한 복합재의 경량화와 우수한 성형성 확보하여 금속 대비 플라스틱의 이점을 극대화 할 예정이다. 고방열 소재는 에너지를 절감할 수 있는 비절연-고방열 소재와 절연-고방열 소재의 2가지 형태로 개발이 진행될 예정이며, 이는 태양에너지 산업, 자동차산업, 가전산업 및 LED (Light Emitting Diode) 산업 등에 많은 영향을 미칠 것으로 기대된다.

2) 필요 기술 및 개발 내용
알루미늄 방열 소재는 높은 열전도성과 저중량에 의해서 일반적인 열전달소재로 사용되는 이지만, 다이캐스팅용은 물론이고 압출용 알루미늄 조차도 디자인의 제한이 있고, 애노다이징(Anodizing, 양극산화처리)을 필요로 하는 단점을 가지고 있다. 고열전도성 플라스틱 소재가 일부 금속 방열 소재를 대체할 수 있는가의 성공 여부는 고열전도성 플라스틱 소재의 방열특성이 기존 부품에 요구되는 물성에 적절하게 대응할 수 있는지에 달려 있다. 현재 일반적인 플라스틱은 경량 및 단열/절연이 우수하여 전기전자 부품 분야에서 폭넓게 사용되고 있지만, 일반적인 열전도율이 약 0.1~0.3W/mK로 매우 낮기 때문에 전기/전자 부품의 소형화, 고집적화에 따른 기기 내부에서 발생한 열이 외부로의 방출이 용이하지 않다. 이로 인하여 제품 성능에 제약이 생기는 경우가 발생하고 있다. 해외의 경우, 플라스틱 소재의 열전도율 향상에 관한 연구 개발이 활발히 진행되고 있으나, 현재까지는 일반 플라스틱의 10~25배 (2~5W/mK) 정도의 개선이 실질적인 수준이다. 본 과제의 목표 제품인 열전도성 플라스틱은 75W/mK로 대부분 제품에 적용된 금속의 방열 특성과 유사하며, 열전달 효율성을 높일 수 있는 디자인 자유도의 증가로 인해 기존 금속 및 세라믹 소재의 열방출 성능을 능가할 것으로 예상되며, 다양한 방열분야에 적용이 가능할 것으로 예측된다. 따라서, 열 전도성 플라스틱은 방열 특성이 요구되는 분야에서 플라스틱 장점인 작업성과 경제성이라는 효과를 동시에 거둘 수 있어 향후 미래 소재라고 주목 받고 있다.

3. 맺음말
최근 지구 온난화와 에너지 고갈 등 인류 생존을 위협하는 환경이 조성되고 있고, 전세계 각국은 기후변화와 에너지 문제를 중요 현안으로 인식하여, 에너지 절감을 위한 녹색경쟁 (Green Race)을 펼치고 있다. 이의 일환으로써, 기존에는 자동차 등의 수송기 내외장재에 사용되고 있는 금속 제품의 경량화, 금속 전자파 차폐 제품의 경량화 및 LED 조명, 자동차 내부 전장 부품, 전기전자 제품 등의 열전달 소재의 경량화로 녹색 산업에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 본 과제의 기술 개발이 완료되어 태양열 전지, LED 조명 등 에너지 분야, 전기전자 분야, 자동차/항공/우주 분야 등에 개발된 신소재가 적용되면, 국내 탄소나노튜브 및 나노 소재 수요를 촉발시켜 관련 생산업계에 판매수요를 증가시키고, 이로 인한 다양한 응용 시장을 창출할 것으로 기대된다.
이번 WPM 사업을 통하여 기존에 한국이 참여하고 있지 못하는 새로운 시장에 참여함으로써 새로운 제품의 확보와 동시에 기존의 전략적 전통 산업인 자동차, 전자, 전기, LED 산업 및 에너지 산업에 경쟁력을 강화할 수 있는 좋은 계기라 생각 된다. 본 과제가 성공적으로 수행되었을 때 국가경제에 기여하는 효과를 그림 9에 나타내었다. 유형적 효과로 개발 소재의 시장을 10% 이상 점유할 수 있는 경쟁력 있는 시장 창출과 무형적 효과로 나노카본 복합소재 개발에 필요한 세부 기술개발의 축적 등 경쟁력 있는 소재 개발을 촉진할 수 있을 것으로 생각된다.

그림 1. 개발 대상 기술의 개요

그림 2. WPM 나노카본 복합소재 사업단 편성도

그림 3. 초경량 고강성 고분자 나노카본 복합소재 적용 부품

그림 4. 초경량 고강성 알루미늄 나노카본 복합소재 적용 부품

그림 5. 에너지 흡수용 나노카본 복합소재 적용 부품

그림 6. EMI 개스킷 전자파차폐 케이블

그림 7. 우주 항공용도 로봇 용도

그림 8. 에너지 절감용 고방열 나노복합소재 적용제품

그림 9. WPM 에너지 절감변환용 다기능성 나노복합소재 유·무형적 효과

알려드립니다. _ ‘WPM 3분과 / 에너지절감 및 변환용 다기능성 나노복합소재 개발 동향’은 사업단 내부일정상 지난 2011년 1월호(통권 272호)에 게재되지 못하고 부득이 이번호에 분리 게재되었음을 알려드립니다. Special 세계시장 선점(WPM) 10대 핵심소재 개발을 위한 세라믹스소재 개발 동향은 ·WPM 8분과/ 초고순도 SiC 소재기술 개발 동향 ·WPM 9분과 / LED용 사파이어 단결정 소재 개발 동향 ·WPM 6분과/ 차세대 리튬 이차전지 소재기술 개발 동향 ·WPM 3분과 / 에너지절감 및 변환용 다기능성 나노복합소재 개발 동향으로 완결되었으며 도움을 주신 각 사업단과 공동기획에 참여해주신 한국산업기술평가관리원에 감사드립니다.
세라믹코리아 편집부

이시호
서울대학교 섬유공학과 졸업
서울대학교 섬유공학과 석사
U. of Akron 고분자공학 박사
현) LG화학 테크센터 소재개발 팀장

< 본 사이트는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2011년 1월호를 참조바랍니다.>