○ 사람 머리카락 지름의 1/50,000이지만 강철보다 50배 더 단단한 탄소 나노튜브는 전기적이고 구조적인 특성을 통하여 상업 및 군사용 우주항공 공학에 혁명적인 변화를 가져올 잠재력을 가지고 있음

- 아래의 기사는 나노테크놀로지 기술의 최선두에 있는 [TE Connectivity]사의 선임 과학자인 Stefanie Harvey씨와 그녀의 연구작업에 대한 대담을 나눈 내용임

- Stefanie Harvey는 여러 산업 분야에서 데이터 통신을 제공하는 포츈지 선정 500대 기업 중의 하나인 [TE Connectivity]사의 선임과학자임. 그녀는 나노테크놀로지, 표면 물리학 그리고 인터페이스 엔지니어링 분야의 연구에서 전기장치 분야의 저밀도 거시 구조체 개발을 진행 중인 과학자 팀을 지도하고 있고, 3개의 미국 특허와 여러 개의 국제 특허를 보유하고 있음

○ Q : 탄소 나노튜브 기술의 발전과정에 대해 설명해 주기 바란다.

A : 탄소 나노튜브 기술(CNT, Carbon Nanotube Technology)은 1990년대에 대중화되었으며, 1996년에 Richard Smalley씨, Harold Kroto씨 그리고 Robert Curls씨가 C60으로 노벨상을 받았을 때, 광범위한 관심을 받기 시작했다.

- 일본 물리학자인 Sumio Iijima씨가 최초로 1991년에 멀티-월(multiwalled) 탄소 나노튜브 기술(CNT)을 확인했으며, 과학적인 연구에 비해 생산은 늦었지만, 이것은 이상한 일이 아니다. 예를 들어, 아마존 킨들에 사용된 [e-Ink]는 발견에서 대량생산까지 30년이 걸렸다.

- 최초에는 탄소 나노튜브 기술(CNT)과 비슷한 것들이 많았는데, 그 당시는 이 기술이 실제로 어떻게 적용될 것인가보다는 이 기술이 깔끔하고 놀라운 특성이 있다는 정도였다. 2010년, 탄소 나노튜브 기술(CNT)(Class 977)과 관련된 977개의 특허가 제출되었고, 애플리케이션 수는 더 많을 것으로 예측된다.

○ Q : 탄소 나노튜브의 독특한 특성을 설명해 주기 바란다.

A : 탄소 나노튜브는 지름으로는 몇 나노미터 정도이나 길이는 밀리미터 단위도 될 수 있어, 이로 인하여 독특한 물리적 특성 특히, 전기적 기계적 특성이 나타난다. 하나의 탄소 나노튜브는 강철보다 더 단단하며 구리보다 전도성이 좋다.

- 이외에도 흥미로운 화학적 성질을 가지고 있어, 조직이 생장하는 비계(scaffold)로 또는 화합물에서 건강 모니터링 정보를 모으는 데 사용되는 센서로도 사용할 수 있다. 나노튜브의 특성 중에는 히터에 저항성을 가진 기능이 있어서 얼음을 녹이는 비행기의 날개로도 사용할 수 있다.

- 사람들은 탄소 나노튜브를 구조적이거나 전기적인 물질로 보는 경향이 있지만, 구리와는 달리 나노튜브는 전선으로서의 엄청난 가능성을 가지고 있다. 지금 현재의 도전은, 하나의 탄소 나노튜브 내에서 관측되는 큰 전도성이 거시적인 규모에서 보존되지 않는다는 사실이다.

- 예를 들어, 우리가 탄소 나노튜브 기술(CNT)에 기반을 둔 케이블을 제작하고자 할 때 우리는 자연스럽게 재료를 꼬게 되지만, 큰 규모의 전선 배열은 하나의 나노튜브와는 매우 다르게 동작한다. TE Connectivity사가 나노튜브 기술(CNT) 분야에서 차별화되는 것 중의 하나는 제조가능성이다. 우리는 이 새로운 재료를 산업계 프로세스에 적용하기 위한 연구를 진행 중이다.

<탄소 나노튜브는 독특한 특성 때문에 여러 우주항공 분야에 사용됨>

○ Q : 상업 및 군사 항공시장에서 나노튜브 기술(CNT)이 주로 적용되는 곳은 어느 곳인가?

A : 최고의 적용 분야는 경량 복합재료로서 군사용 항공산업에 엄청난 경량화와 우수한 구조적 성능을 보장한다. 최근에 전투기 제조회사는 탄소 나노튜브 복합재료를 F35 비행기 날개 끝에 설치했다.

- 그 다음은 소위 스마트 재료로 부르는 것으로 매우 명백한 성과가 존재한다. 예를 들어, 정전기 방전(ESD, ElectroStatic Discharge)이나 전자기 간섭(EMI, ElectroMagnetic Interference) 방지를 위해 나노튜브 기술(CNT)을 사용하여 케이블 차폐를 대체하는 것이다.

- JUNO 위성에도 1조 달러어치의 탄소 나노튜브 재료가 포함되어 있다.

- TE Connectivity사에서, 우리는 IEEE 1394와 같은 동축케이블을 위한 경량의 차폐와 데이터 통신 케이블 및 MIL STD 1553과 캔-버스 케이블용 중앙 컨덕터로서의 다양한 나노재료를 검토하고 있으며, 우주항공산업을 위한 경량의 복합 마감재료와 커넥터를 만들고자 나노재료를 사용하고 있다.

○ Q : 우리는 SWaP(크기 및 무게와 파워, size, weight and power) 솔루션에 대해 많은 얘기를 듣고 있는데, 왜 이러한 나노테크놀로지의 하부 분야가 특별히 중요한 연구로 취급되는가?

A : 나노튜브 기술(CNT)은 엄청난 무게의 절감을 제공한다. SWaP 솔루션을 사용하는 목적은, 크기를 줄이고 파워 밀도를 높이면서 무게를 감소시키는 것이다. 예를 들어, 소형 제트 비행기는 약 40마일의 케이블이 있으며 85%가 데이터 통신용이다. 나노튜브 기술(CNT)은 수천 파운드 이상으로 비행기 무게를 줄일 가능성을 가지고 있다. MIL-STD 1553 케이블을 예로 들어보자. 모든 나노튜브 기술(CNT) 제작과정을 창조하게 되면, 우리는 표준 제작과정보다 약 70%의 무게를 줄일 수 있다.

- 비슷하게, 현재 거대한 성장 분야인 위성과 소형 무인정찰기 그리고 무인자동 비행기의 무게를 감소시키는 것은 이 비행체들을 1달 또는 1년까지 더 오랫동안 비행시킴을 의미하는 것이다.

- 당신이 작은 위성에서라도 케이블 길이를 정말로 다루어 본다면, 무게를 몇 파운드만 줄여도 더 많은 중량물을 수송하거나 다 쉽게 이륙 가능함을 알게 될 것이다.

- 세계에서 화석연료를 가장 많이 소비하는 단체는 미국 육군이므로, 무게와 연료 사용량을 동시에 줄이려고 나노튜브 기술을 사용하는 것은 엄청난 경제적 그리고 지정학적 영향을 미칠 것이다.

<탄소 나노튜브 기술은 무인항공기, 무인정찰기 그리고 위성의 무게를 혁신적으로 줄일 가능성을 가지고 있다.>

○ Q : 탄소 나노튜브는 산악자전거 프레임에서부터 허블망원경 셔틀 미션까지 모든 분야에 사용되었다. 나노튜브 기술(CNT)의 광범위한 적용에 장애가 되는 것은 무엇인가?

A : 이 재료 중의 많은 것이 금속보다 비싸므로, 첫 번째 도전은 비용이다. 일부 낮은 비용의 솔루션이 있지만, 물론 전도성과 같은 일부 특성의 관점에서 손해 보는 부분이 생긴다.

- 두 번째 장벽은 환경적인 건강과 안전상의 문제이다. 나노튜브 기술(CNT)이 최종 품목 내에 케이싱 처리되면 안전하지만, 제조 과정에 다루는 것은 위험이 존재한다. TE사는 매우 보수적인 접근법을 취하며, 미국 국립산업안전보건연구원(NIOSH, National Institute for Occupational Safety and Health)이 개발한 프로토콜을 엄격하게 따른다.

- 세 번째 도전은 재료의 이용가능성이다. 우리의 Redwood City 와이어 및 케이블 공장은 하루에 수 마일의 재료를 운영할 수 있지만, 우리의 벤더들이 그 정도 양을 생산하려면 몇 주나 몇 달이 걸린다.

- 나노튜브 기술(CNT)은 아직 잠재력을 충분히 발휘하지 못하고 있다. 틈새시장에서 그 자리를 찾아가는 다른 새로운 기술들처럼, 제작회사들이 규모를 더 크게 만들고 비용을 감소시키게 될 것이다. 우리는 극적인 양과 성능의 향상을 보아왔으며, 비용 개선에서는 다소 느린 감소도 보아왔다.

○ Q : 글로벌 경제 침체가 TE Connectivity사와 같은 기술회사들이 연구개발 투자를 줄이도록 하는가?

A : 불균형적인 본성과 사이버 전쟁은 세계적으로 재정적인 상황보다 더 큰 도전이며, 그래서 나는 미국 정부가 이 중요한 분야에 매우 선택적이고 계속적인 투자를 할 것으로 보고 있다. TE Connectivity사의 연구개발 투자는 지난 5년 동안 계속 증가하고 있다.

○ Q : TE Connectivity사에서 추진 중인 특수한 협력 프로젝트 중 일부를 말해 줄 수 있는가?

A : 나는 MIL STD 1553(위성 분야)와 IEEE 1394에 관해, 미국 국방분야에 전문적이고 유명한 항공회사와 공동으로 작업 중이다.

- 우리는 표준적인 케이블 설치 시에 구리 등급의 차폐를 대체하기 위해 노력 중인데, 이것은 30% 이상의 무게 감소를 가져올 기회이다.

- 우리는 현재 고객들 대부분과 프로토타입 단계에 와 있다. 우리는 환경 및 가속 응력 시험을 진행해 왔고, 3년 이내에 중간 크기의 생산을 할 예정이다.

○ Q : 당신의 의견으로는, 앞으로 10년~15년 이내에 상당한 수준의 나노튜브 기술(CNT) 발전이 어느 분야에서 일어날 것으로 보는가?

A : 2010년 개최된 [IEEE-Bay Area] 나노테크 심포지엄에서, 연구원들은 미래에 탄소 나노튜브 기술이 아시아에서는 디스플레이와 축전지 같은 전자장치 분야에서, 미국에서는 의료분야에서, 그리고 유럽에서는 환경적 개선분야에서 주로 사용될 것으로 예측한 바 있다.

- 개인적으로, 나는 나노튜브 기술(CNT)이 산업계 주 재료가 될 것이며, 산업계에 미치는 영향은 거시적인 조립체 간에 연결성을 향상시키기 위한 탄소 나노튜브 재료 제작회사들의 능력에 달렸을 것으로 생각한다. 이것이 내가 초점을 맞추는 분야이다.

- 탄소 나노튜브가 앞으로 10년 이내에 항공전자공학 전반을 변화시킬 것인가? 아마도 그렇지 않을 것이지만, 금속을 같이 사용하는 나노튜브 기술(CNT) 또는 다른 나노와이어 또는 복합물질과 같은 탄소 나노튜브 하이브리드 재료가 정말로 산업계에 혁명을 가져오게 될 것이다.