체온을 조절하는 스마트 섬유? 미래를 이끄는 신물질 '탄소나노튜브'

PATENT SQUARE Offical Writer
2021-01-11
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오늘날 과학 기술의 발전으로 인해 해마다 다양한 종류의 신물질이 탄생하고 있습니다. 지금 이 순간에도 지구촌 어딘가의 연구실에서는 새로운 물질이 만들어지고 있는데요. 그중에서도 탄소나노튜브라는 물질은 미래 사회를 새롭게 바꿔놓을 소재로 많은 관심과 주목을 받고 있습니다. 이번 시간은 탄소나노튜브의 발견 과정과 이를 응용한 여러 기술 및 관련 특허에는 무엇이 있는지에 대해 알아보도록 하겠습니다.


○ 탄소나노튜브의 발견

< 탄소나노튜브의 구조(출처: 산업일보) >


탄소는 자연계에 흔히 있는 대표적인 물질로, 탄소 원자가 미세 공간에서 어떤 조합으로 배열되느냐에 따라 특성이 크게 달라집니다. 탄소로만 구성되어 배열을 서로 달리하는 물질들 상호 간을 무리 지어 탄소의 동소체라고 부르는데요. 대표적으로 풀러렌과 탄소나노튜브의 관계가 그렇습니다. 모두 탄소 원자로만 구성되어 있지만, 원자들이 배열되어 있는 구조가 다른데요. 그중 풀러렌은 1985년 발견된 물질로, 탄소 원자 60개가 모여 축구공처럼 구의 형태를 이루고 있습니다.


< 투과전자현미경의 모습 (출처 : 서울과학기술대학교) >


1991년 이 풀러렌을 연구하던 일본의 NEC 부설 연구소의 이지마 스미오 박사가 있었습니다. 그는 전기 방전을 이용하여 연필의 주성분으로 흔히 알려진 흑연에 형성된 탄소 덩어리를 분석하였는데요. 일반적으로 쓰이는 광학 현미경보다 훨씬 배율이 높은 투과전자현미경을 이용하여 그 구조를 분석하다가, 가늘고 긴 대롱 모양으로 탄소 원자들이 뭉친 물질을 발견합니다. 이것이 바로 탄소나노튜브로, 합성된 물질의 지름이 대략 수 나노미터 정도로 매우 작아서 이렇게 명명하게 되었습니다.


< 그래핀에서 탄소 원자의 배열 모습 >


이지마 박사 연구팀은 이 탄소나노튜브가 탄소 원자들이 얇은 평면으로 배열된 그래핀이라는 물질이 성장하여 만들어진 원통형 구조물이라고 파악하였습니다. 이 물질이 발견되던 1990년대 초반에는 나노 구조를 분석할 만한 장치가 세계적으로 드물어 탄소나노튜브의 분자 구조에 대한 정확한 연구가 이루어지지는 못하였는데요. 2000년대에 들어서면서 이를 분석할만한 성능을 가진 장치들이 여럿 등장하였지만, 학계에서는 탄소나노튜브에 대한 분석이 이미 충분하다고 생각하였습니다. 따라서 그 구조를 다시 엄밀하게 조사하기보다는 어떻게 하면 실생활에 응용할 수 있을지에 대한 연구가 활발히 전개되었습니다.


○ 활용될 수 있는 분야는?

지난 30년에 달하는 시간 동안 반도체와 디스플레이 등 다양한 분야에서 탄소나노튜브를 활용하려는 연구가 활발하게 진행되었습니다. 이러한 연구에 힘입어 터치스크린 분야에서 주로 큰 성과를 거두었지만, 상용화 단계에까지는 미처 이르지 못한 상황인데요. 앞으로 탄소나노튜브가 활용될 수 있는 분야는 어디일까요?


먼저, 탄소나노튜브는 주위 환경을 적절하게 조절하면 반지름과 길이를 조절할 수 있습니다. 이를 통하여 그 구조를 자유자재로 조정할 수 있기에 신축성이 있는 소재가 요구되는 생체재료 분야에 사용할 수 있습니다.


이와 함께, 탄소나노튜브는 수많은 그래핀을 한꺼번에 생산하는 데에 활용될 수 있습니다. 이는 새끼줄을 짧게 잘랐을 때 지푸라기로 분해되는 것과 같은 이치입니다. 탄소나노튜브를 여러 개 겹쳐서 만든 물질을 다중벽탄소나노튜브라고 합니다. 이것을 기계적으로 분해하면 이를 구성하고 있던 수많은 그래핀을 한꺼번에 얻을 수 있습니다. 이는 기존에 사용되던 그래핀 합성 방법보다 훨씬 값싸고 빠른 방법이라고 합니다. 생산하는 데에 드는 비용을 낮추어 큰 경제적 효과를 얻어 상용화될 수 있으리라 기대되고 있습니다.


○ 체온을 조절하는 스마트 섬유

< 스마트 섬유의 원리 (출처: Science) >


탄소나노튜브가 미래에 상용화될 분야 중 하나로 스마트 섬유가 주목받고 있습니다. 메릴랜드 대학교 연구진에 의해 개발된 탄소나노튜브를 활용한 스마트 섬유가 바로 그 예시인데요. 더운 여름에 흘린 땀을 빠르게 말림으로써 사람의 체온을 조절할 수 있습니다. 일반적인 고분자섬유에 탄소나노튜브를 입혀 만든 이 스마트 섬유는 적외선을 활용하여 온도를 조절합니다.


우리 몸은 적외선의 형태로 열을 내보내는데, 탄소나노튜브의 뛰어난 전기전도성으로 인해 더운 날씨에는 적외선을 빠르게 내보내고, 추운 날씨에는 적외선을 역으로 가두어 열 방출을 줄입니다. 이러한 현상을 적외선 통문 효과(infrared gating effect)라고 부릅니다. 미국의 과학 학술지 사이언스(Science)에 발표된 이 섬유는 최대 40%의 체온 조절 기능을 보이고 있습니다.


○ 탄소나노튜브 기술의 특허 현황

< 물의 전기분해를 위한 탄소나노튜브 복합체로 제조된 전극판, 이를 포함하는 전극 조립체 및 미세먼지 포집 장치(출처 : 키프리스) >


탄소나노튜브가 활용된 대표적인 특허 기술은 바로 미세먼지를 걸러내 공기를 정화하는 장치(특허 제10-2162830호)가 있습니다. 탄소나노튜브 복합체로 제조된 전극판을 이용하여 오염된 공기를 흘려보내면 유해물질과 미세먼지를 결합하여 흡착할 수 있는데요. 미세먼지들이 계속 쌓여 보다 큰 입자로 만들어진 후에는 이를 바닥으로 낙하시켜 폐기하게 되는 원리입니다.


○ 탄소나노튜브와 관련한 디자인

< 탄소나노튜브(CNT) 히터 (출처 : 키프리스) >


탄소나노튜브는 관련 특허뿐만 아니라 여러 디자인도 등록되었습니다. 히터, 조명모듈 등 탄소나노튜브로 만들어진 여러 소자들이 디자인으로 보호를 받고 있는데요. 대표적으로 탄소나노튜브를 활용하여 제작된 히터의 디자인(등록디자인 제30-0610131호)이 있습니다. 파이프 내로 흐르는 공기나 유체를 가열하는 데에 사용될 수 있습니다.


지금까지 높은 신축성을 가지고 그래핀을 대량 생산할 수 있는 기능에 높은 기대를 받고 있는 탄소나노튜브의 발견 과정과 관련 지식재산권 현황에 대하여 알아보았습니다. 앞으로 더욱 활발한 연구가 진행되어 우리가 흔히 사용하는 여러 생활용품에도 탄소나노튜브가 활용되어 더 높은 기능성을 선보여주길 기대하여 봅니다. (자료인용 : 특허청, 국가나노기술정책센터)

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