미래로 향하는 탄소 소재

탄소 소재의 역사

다양한 탄소 소재들의 쓰임, 성질, 응용

더 발전해야 할 것들

[객원 에디터 6기 / 한동욱 기자] 현재 의료분야, 로봇 분야 등 우리가 계속 발전하기 위해서 필요한 것 중 하나는 신소재이다. 최근 새로운 탄소 소재들이 다양한 건축물과 첨단기술에 활용되면서 주목을 받고 있다. 탄소 소재는 열, 전기, 강도 등에서 우월한 기능을 지니고 있어, 의료, 기계뿐만 아니라 다른 분야에서도 많은 적용을 하고 있다. 

탄소의 원자 번호는 6번으로 최외각 원자는 4개이다. 탄소는 반응성이 우수하여 실용적인 재료를 만들어 낼 수 있는 가장 가벼운 원소이며, 우주에서 네 번째로 풍부하다. 탄소의 동소체로 그래핀과 탄소 나노 튜브 등이 있는데, 여기서 동소체란 하나의 원소로 이루어져 있지만 원자 배열이 달라서 모양과 성질이 다른 물질을 말한다.

현재 자주 쓰이고 있는 카본 파이버는 1958년 등장했다. 하지만 처음 알려진 것은 에디슨이 대나무 섬유를 탄화해 전구 필라멘트로 사용했던 100년 전으로 거슬러 올라간다. 카본 파이버는 탄소 섬유를 이용하여 만든 강화 소재로, 가열 과정 시 산소, 수소 등이 빠져나가 가볍지만 강한 강도를 가지고 있어 항공우주 산업 및 자동차 산업, 스포츠ㆍ레저, 토목ㆍ건축, 환경산업 등에서 사용되고 있다. 특히 친환경 소재로 주목받고 있으며, 항공기와 자동차에 탑재되어 CO2 배출 감소 효과를 본 대표적인 소재이다. 

탄소 나노튜브는 1991년 발명되었다. 1991년, 일본의 물리학자 이지마 나노에서 탄소 나노튜브를 발견했다. 이 나노튜브는 그래핀 시트를 굴절시켜 원통 형태로 만든 것으로, 강한 강도와 가벼운 무게로 인해 다양한 분야에서 사용되고 있다. 탄소 나노튜브(Carbon Nanotubes)는 전기와 열 전도율이 구리 및 다이아몬드와 동일하고, 강도는 철강의 100배에 달하는 차세대 신소재이다 즉, 높은 강도, 가벼운 무게, 우수한 전기 전도성을 가지고 있다. 특이한 점은 탄소섬유의 1%가 변형되면 끊기는 반면, 탄소나노튜브는 15%가 끊겨도 안 끊긴 다. 현재, 나노 전자공학, 재료 과학 등에서 카본 나노튜브에 대한 특성을 활용하는 연구가 진행 중이다. 활용 분야에서는 에너지 저장, 전자공학, 나노전자학 등이 있다. 탄소 나노튜브는 높은 전기 전도도와 표면적이 있고, 높은 전기 전도성이 있어서 전기와 관련된 분야로 발전해 나가고 있다.

현재 가장 주목받고 있는 소재인 그래핀은 2004년 발견이 되었다. 2004년, 안드레 게임과 코스타스 노벨로프는 그래핀이라는 단일 원자층으로 이루어진 탄소 구조체를 발견했다. 그래핀은 뛰어난 전기 전도성과 열 전도성을 가지고 있어, 현재 다양한 분야에서 혁신적으로 활용되고 있다. 이의 활용분야는 전자 소자, 나노 재료, 투명 박막 등의 분야에서 사용될 뿐만 아니라, 유연한 전자 장치, 고성능 배터리, 센서, 산업용 필터 등에 쓰이며, 미래의 전자공학 분야에서 혁신적인 발전에 도움이 될 것으로 예상된다. 

마지막은 탄소 나노판(Carbon Nanosheets)이다. 이것은 뛰어난 열 전도성과 전기 전도성을 가지고 있다. 탄소 나노판은 열 관련 응용, 전기 소자, 에너지 저장 장치 등에 주로 사용이 된다. 또한, 고효율 열전도 소자, 유연한 전자 장치, 고성능 전지 등의 분야에서 활용되며, 에너지 저장 기술에 활용이 많이 될 것이다. 더해서 대마에서 추출한 탄소 나노판은 그래핀을 대체할 수도 있다는 연구 결과도 나왔다.

앞으로 뛰어난 신소재 개발을 위해서는 나노기술과의 조합을 강화하여 더 작고 효율적인 탄소 소재를 개발해야 한다. 나노 레벨에서의 조절이 가능한 소재는 미래 기술에 더 활용적으로 사용할 수 있을 것이다. 또한, 탄소는 우리의 산업에 큰 영향을 미치고 있으므로 그래핀 제조 등의 고온 가열 과정과 탄소 나노튜브 제조 등의 화학적 반응 등 과정에서 이산화탄소를 최소화하는 것이 중요하다.