CNT(carbon nanotube) 도전재 - 2

CNT 도전재 관련 두 번째 글이다. 이번에는 주식투자자들에게 아주 잘 먹힌다는 SWCNT 도전재에 대해 이야기해보려고 한다.

특히, 이부분은 기술적으로 상당히 어려운 부분이 많고 앞으로 시장에 안착할 수 있을지 조차 불투명한 아이템인데도, 주식투자 관련 유투버나 블로거들, 심지어 기술 관련 유투버들 마저도 SWCNT 도전재를 무슨 마술봉처럼 이야기 하고 있다.

그래서 적어도 나는 엔지니어 입장에서  SWCNT, 그리고 SWCNT 도전재가 실제 어떻게 다루어 지고 있는지를 이야기하려고 한다. 물론 나는 내가 알고 있는 사실을 기반으로 글을 쓰지만, 어쩔 수 없이 짧은 지식과 식견이 반영된 나의 사견이 이글에 포함되어 있음을 미리 알린다.

1. CNT의 종류

 먼저 CNT의 종류를 먼저 알고 가야 한다.
일단 이차전지 분야에서 현재 가장 많이 쓰이는 CNT는 MWCNT(Mulit-Walled CNT)이다. MWCNT는 일단 싸다. 그게 가장 큰 장점이다. 그리고 만들기도 가장 쉽다. 물론 CNT 합성 자체가 쉬운 것은 아니지만, 그나마 CNT 중에서는 만들기가 제일 수월하다. 일단 품질은 무시하고... 중국 CNT 업체들이 한국에 뿌리는 가격을 보면 요즘은 kg당 7만원 이하 금액을 제시하는 경우가 많아졌다. 7만원이 뭐가 싸냐고 할 수도 있지만, 10년 전에는 100g에 10만원을 준다 해도 구할 수 없었다. 아무래도 CNT를 적용하는 분야도 많아졌고 특히 이차전지에서 많이 사용하다 보니 이제는 규모의 경제 효과가 발동되는 것 같다. 내 생각에는 MWCNT는 앞으로 더 가격이 떨어질 것이다.

그리고 MWCNT는 이차전지 grade 제품이 개발되어 있다. 원래 CNT 제조에는 촉매가 매우 중요하다. 이건 그래핀도 마찬가지이다. CNT 합성에 여러 전이금속 원소들이 사용되는데 그중에 제일 싼게 철(Fe) 촉매라고 한다. 이유는 모르겠지만 철 촉매로 CNT합성이 쉽다고 한다. 그래서 CNT 제조에 촉매가 사용된다면 대부분 철 촉매를 사용한다고 한다. 그러나 철(Fe)은 배터리에서 있어서는 안되는, 존재해도 그 함량을 매우 최소화해야 하는 물질이다. 국내 업체를 중심으로 코발트(Co) 촉매를 사용하여 MWCNT 제조법을 연구했고, 그 결과 MWCNT를 이차전지 grade로 양산을 수년째 하고 있다. 중국 업체들은 여전히 Fe 촉매를 사용하고 있지만 Fe 사용량을 줄이거나, Co 촉매를 사용한 제품을 Pilot 평가 중이거나 양산을 준비하고 있다.

두 번째는 SWCNT(Single-Walled CNT)이다. SWCNT를 Graphene Nanotube 라고도 부르기도 한다. 사실 Graphe을 그냥 말아서 튜브형태로 만든 게 SWCNT니까 그렇게도 부르는 것 같다. SWCNT는 엄밀히 말해서 현재 정상적으로 양산할 수 있는 업체는 사실상 전 세계에 1곳 밖에 없다고 보는 것이 합리적이라 본다.

룩셈부르크의 O社(이 회사는 러시아 회사로 봐야하는지 좀 헷갈리긴 한다.)인데 가격이 정말 비싸다. 음... 그러니까 일단 알려진 바로는 kg당 700만원 이상으로 알려져 있다. 요즘 환율이 급등 중이니 이제는 더 비싸겠지만.....
SWCNT 생산가능한 국내 업체도 있다고 하는데, 저기 강원도에 있는 K社인데... 솔직히 여긴... 일단 기술력은 있는 듯하다. 그러나 양산 기술이 없는 것으로 보인다. 그러니까 뭐랄까... 아.... 앞으로도 시간이 많이 필요해 보인다.
그리고 일본의 Z社도 있는데, 여긴 그냥 일반 산업용이다. 복합소재용이 주목적이라 이차전지용으로는 부적합하다고 업체에서도 설명하고 있다.
중국의 C社도 있는데, 여긴 엄밀히 말하면 SWCNT가 아니다. 다음에 설명하겠지만 여긴 SWCNT와 DWCNT(Double-Walled CNT)가 혼합된 상태이며, 사실상 DWCNT가 대부분을 차지하고 있다. 심지어 TWCNT(Thin-Walled CNT)도 섞여 있다고 한다.

어쨌든, 다시 돌아와서....SWCNT는 전기적 특성 월등하다. 다른 특성도 마찬가지. 그러나 단점은 촉매가 여전히 철(Fe)이다. 즉, 이차전지 grade는 없다. 사실 MWCNT 제외한 나머지 CNT는 이차전지 grade가 없다. 이 사실이 매우 중요하다. 왜냐고? Fe는 결국엔 제거해야 한다.

Fe를 제거하는 과정 중에 CNT에 결함이 필연적으로 발생하게 되고, 이는 CNT 특성의 저하라는 부작용이 발생한다. 다시 말해 SWCNT의 높은 전기전도성이 심각하게 손상된다는 점이다. SWCNT는 전기적 특성 때문에 그 비싼 가격에도 사용하려 했지만, 이차전지에 사용하기 위해 SWCNT를 처리하는 과정 중에 본래의 특성을 잃어버리는 아이러니한 상황이 되어버린 것이다. 

세 번째로 DWCNT(Double-Walled CNT), TWCNT(Thin-Walled CNT) 이다. 여기가 좀 애매한 부분인데.... 이게 뭐냐면 SWCNT를 만들기 워낙 어렵고 비싸다 보니, SWCNT보다 성능은 조금 떨어지지만 가격은 50% 이상 저렴한 CNT 제품군이다. 간단히 말하면 SWCNT와 MWCNT의 중간 제품으로 가격도, 성능도 중간쯤이다. 엄밀히 보면 SWCNT 제외하곤 모두 MWCNT로 명명해야 할 것이다. 하여간. 여기는 성능과 가격도 어중간한 데다가 용어도 어중간하고 좀 난립해 있다.
특히 TWCNT가 좀 골치아픈 편이다. 난... 개인적으로 이렇게 정리하고 있다.

TWCNT
  1) Twin-Walled CNT: CNT Wall 수 2개
  2) Triple-Walled CNT: CNT Wall 수 3개
  3) Thin-Walled CNT: CNT Wall 수 3~6개
  * 아! 이런.. 지랄맞은 상황인지... TWCNT 약어만 보고 판단하지 마시길...
    개인적으로는 TWCNT는 3번이 가장 적합하다고 본다. 2번은 그냥 학술적 분류로만 보는 게 좋을 듯하고...

일단 내가 생각하는 산업적으로 보는 CNT 분류와 용어는 아래와 같다.
     1) SWCNT or Graphene nanotube: CNT Wall 수 1개
     2) DWCNT(Double Walled CNT): CNT Wall 수 2개
     3) TWCNT(Thin-Walled CNT): CNT Wall 수 3~6개
     4) MWCNT(Multi-Walled CNT): CNT Wall 수 7~13개 또는 그냥 10개 이상

CNT라 하면 그냥 그럴 거 같았는데 세부적으로 파보니 나름 종류가 많아서 나도 놀랐다.
CNT 종류에 관해서는 이 정도로 하고 본격적인 이야기는 이어서 하려고 했는데....
본문이 많이 길어져서 스크롤 압박이.... 개인적으로 스크롤이 길어지는 것을 좋아하지 않기 때문에...
일단 여기까지...