우주 엘리베이터 만드는 꿈의 신소재 '탄소나노튜브'…韓도 생산한다

강철보다 100배 단단하고 4배 가까운 탄소나노튜브는 미래 산업의 핵심 소재로 손꼽힌다. / 사진=송현도 아시아경제 인턴기자

[아시아경제 임주형 기자, 송현도 인턴기자] 국내 석유화학업계가 '탄소나노튜브(Carbon Nanotube)' 시장 선점에 도전한다. LG화학, SK이노베이션 등 대기업들은 이미 시설 증설에 나섰다. 탄소나노튜브는 특유의 높은 강성 덕분에 2차전지는 물론, 먼 훗날 지구와 우주 사이를 잇는 '우주 엘리베이터' 건설도 가능케 할 수 있다는 '꿈의 신소재'로 손꼽힌다.

지난달 30일 LG화학은 탄소나노튜브 4공장 건설을 추진하겠다고 밝혔다. LG는 지난해 2번째 탄소나노튜브 생산 공장을 가동한 바 있으며, 올해 초에는 3공장 착공에 들어갔다. 불과 1년 사이에 공장 2곳 건설을 동시에 추진하는 것이다.

그런가 하면 SK온을 자회사로 둔 SK이노베이션은 지난 3월 탄소나노튜브를 생산하는 국내 기업 제이오에 150억 원을 투자, 지분 5.45%를 확보했다. 제이오는 2007년부터 탄소나노튜브를 개발해온 기업이며, 이미 유럽의 완성차업체 '폭스바겐'을 포함해 여러 글로벌 기업에 제품을 공급하고 있다.

탄소나노튜브 구조체 3D 애니메이션 / 사진=위키피디아

기업들이 탄소나노튜브에 공격적으로 투자하는 이유는 전기차부터 우주산업에 이르기까지, 미래 산업의 향방을 결정할 '핵심 기술'이라는 기대감이 크기 때문이다. 탄소나노튜브는 육각형 모양의 탄소 원자들이 원기둥 모양을 한 물질이다. 1991년 일본 전자 기업 NEC 부설 연구소 출신 이지마 스미오(飯島澄男) 박사가 처음 발견했다. 가장 큰 특징은 강성이다. 철강보다 100배 더 단단한데 무게는 4배 이상 가볍다. 또 열이나 전기 에너지를 잘 전달하는 성질도 있다.

복합 소재로 쓰이기에 유용한 특징을 두루 갖췄기에 처음 발견됐을 때는 '꿈의 신소재'로 불리며 주목받았다. 그러나 대량 생산이 까다롭다는 치명적 단점이 발목을 잡았다. 탄소나노튜브는 흑연 등 탄소 함유량이 높은 소재에 열을 가하는 방식으로 만들어지는데, 비용 투입 대비 생산할 수 있는 양이 많지 않은 데다 품질을 균일하게 제어하기도 어렵다.

LG화학의 여수 탄소나노튜브 공장. 탄소나노튜브는 전기차 배터리의 양극 도전재 소재로 각광받고 있다. / 사진=LG화학

일례로 탄소나노튜브는 이미 전기차 배터리의 핵심 소재다. 통상 리튬이온 배터리는 양극, 음극, 전해액, 분리막이라는 4대 구성요소로 이뤄져 있는데, 이 가운데 양극의 도전재(전기·전자 흐름을 원활히 하기 위해 투입되는 미세분말)로 쓰일 수 있는 게 탄소나노튜브다.

현재는 배터리 도전재로 '블랙카본'이라는 탄소 물질이 주로 쓰이고 있다. 그러나 탄소나노튜브의 성능은 기존 소재를 능가한다는 게 전문가의 설명이다. 제이오 전지사업부 관계자는 "탄소나노튜브는 기존 도전재보다 더 적은 함량으로 더 좋은 전도성을 구현할 수 있다는 게 장점"이라며 "배터리 용량, 안정성 측면에서 차세대 필수 원소재로 자리매김할 것"이라고 예측했다.

탄소나노튜브는 미래 우주 산업에서도 핵심 소재로 활약할 것으로 기대받고 있다. 지상과 지구 궤도의 구조체 사이를 단단한 케이블로 연결한 뒤, 건물 엘리베이터와 같은 방식으로 사람이나 화물을 운송하자는 개념인 '우주 엘리베이터'가 대표적이다. 이 아이디어가 실현되려면 우주에서 지구의 중력을 버틸 수 있는 극히 단단한 케이블이 필요한데, 우주 엘리베이터의 건설 가능성을 연구 중인 국제 연구진은 탄소나노튜브를 가장 유력한 후보 소재로 꼽는다.