Special 세라믹 열관리소재 기술 개발 동향(1)

질화붕소나노튜브(BNNT)를 이용한 전기자동차 핵심소재부품 개발현황

김재우_내일테크놀로지(주) R&D센터장/대표이사

1. 서 론

전 세계적으로 친환경 모빌리티에 대한 관심이 높아지고 있으며, 이를 위해 우리 정부에서도 전기자동차 또는 수소자동차 사회로의 신속한 전환을 위해 연구개발뿐 아니라 차량구매보조금 등 다양한 지원정책을 추진하고 있다. 전기자동차의 대중화가 급격히 진행됨에 따라 필연적으로 리튬이차전지의 수요도 지속적으로 증가하고 있으며, 이에 따른 전지의 안전성, 고효율, 및 장수명을 위한 다양한 연구개발도 진행되고 있다. 불과 2~3년 전만 해도 리튬이차전지 기술은 휴대폰, 노트북 등 소형 IT 기기에 주로 사용되었으나, 최근 대용량화 기술이 발전함에 따라 전기자동차, 전력저장장치용 대용량 이차전지(ESS: Energy Storage System)로 중심이 이동하고 있는 추세이다. 이에 따라 안전성과 효율성이 향상된 전고체전지 또는 리튬황(또는 공기)이차전지 등 차세대 이차전지 기술과 관련 핵심소재부품 개발의 중요성이 높아지고 있다. 전기자동차 리튬이차전지의 경제성과 안정성, 효율을 향상하기 위해서는 배터리팩의 열관리를 위한 효율적인 방열소재, 안전성 향상을 위한 고내열 분리막뿐 아니라 빠른 충전과 에너지밀도 및 안전성이 향상된 고체전해질 등 차세대전지의 핵심소재부품 개발이 매우 중요한 분야로 부상하고 있다. 본고에서는 이러한 다양한 분야 중에서, 특히 소재 측면에서 기존 및 차세대 이차전지의 기술적 문제 해결을 위해 물성이 매우 우수한 질화붕소나노튜브(BNNT: Boron Nitride Nanotubes)가 어떻게 활용될 수 있는지 현재 개발현황을 중심으로 간략하게 소개하고자 한다.
  BNNT는 제 4차 산업혁명의 도래와 더불어 현재 전 세계에서 가장 많은 주목을 받고 있는 나노신소재라 할 수 있다. BNNT는 기존 산업에서 널리 이용되고 있는 탄소나노튜브(CNT: Carbon Nanotubes)와는 유사한 구조와 기계적 특성, 열전도, 열팽창 특성을 가지고 있지만, 아래 표1에서 알 수 있듯이 CNT와는 다르게 전통적인 세라믹의 특성도 가지고 있어 전기적으로 절연성뿐 아니라 열적/화학적 안정에 있어서는 CNT와 비교할 수 없을 정도로 우수하다. 예를 들어, CNT의 경우 400oC 정도에서 산화되기 시작하지만, BNNT는 900oC 이상의 고온에서도 공기중에서 산화하지 않는 고온소재이다. 특별히, BNNT를 구성하고 있는 붕소는 열중성자를 흡수할 수 있는 능력이 매우 높기 때문에, 중성자 차폐뿐 아니라 우수한 기계적 특성을 이용한 구조체의 경량화와 동시에 고내열성을 보유할 수 있어 원자력, 항공우주 등 다양한 산업분야에 활용성이 매우 높다. 이에 본고에서는 BNNT에 대한 이해를 돕고자 산업적으로 중요한 몇 가지 합성공정을 먼저 소개하고, 기본적인 소재의 특성과 더불어 기존 및 차세대 이차전지 응용기술에 대해 소개하며 이를 통해 국내에서 미진한 BNNT 기반 전기자동차 관련 응용연구가 활성화 되는 계기가 될 것을 기대한다.

표 1. CNT와 BNNT 기본적 물성비교표

2. 질화붕소나노튜브 합성공정 및 기본특성

현재 BNNT를 산업적으로 제조할 수 있는 공정은 3,000oC 이상의 높은 온도에서 합성하는 고온공정(high temperature reaction process)과 3,000oC 이하의 상대적인 낮은 온도에서 합성하는 저온공정(low temperature reaction process)으로 나눌 수 있다. BNNT는 1,000oC 이하에서 합성되는 CNT와 비교하여 상대적으로 높은 공정온도 및 에너지와 이를 운용할 수 있는 고가의 합성장비가 필요하고, 또한 대체적으로 합성수율이 높지 않아 합성 시 생성되는 불순물을 제거하기 위한 추가적인 정제공정의 필요성 등 공정상의 단점도 있지만, 소재의 탁월한 특성으로 인해 미래 산업의 “Game Changer” 또는 “Solution Provider”로서 역할이 기대되는 나노신소재이다. 1995년 버클리대학의 연구팀이 최초로 사이언스지에 아크방전을 이용한 BNNT의 합성을 발표한 이후[1], 현재 미국, 호주, 캐나다 그리고 한국 등의 소수 국가연구소를 중심으로 개발된 합성법이 상용화되고 있다. 미국 NASA에서는 레이저 어블레이션을 이용한 기상합성공정[2, 3], 캐나다 국가과학위원회(NRC: National Research Council) 소속의 연구소와 미국의 버클리 대학은 플라즈마를 이용한 기상합성공정[4-6], 호주의 디킨대학에서는 볼밀링-어닐링을 이용한 고상합성공정과[7, 8] 한국원자력연구원에서는 열화학합성공정을[9, 10] 개발하여 상용화했다.

그림 2. BNNT의 다양한 산업응용분야

그림 3. BNNT 분산 고분자 복합재의 열전도도

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