탄소나노재료는 컴퓨터 칩의 실리콘을 대체하고 다른 많은 산업을 변화시킬 수 있지만 왜 상용화의 가장자리에 머물고 있습니까?
지난 20년 동안 1~100나노미터 크기의 개별 물질로 구성된 나노카본 소재 분야에서 큰 발전이 이루어졌으며, 나노컴퓨팅부터 스마트 의료용 임플란트에 이르기까지 광범위한 가능성이 열렸습니다.
독특한 강도와 전도성으로 인해 탄소 나노물질은 컴퓨터 칩에서 실리콘을 대체할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
그러나 새로운 재료의 상용화는 매우 어렵습니다. 실험실 결과를 대규모 생산으로 가져오는 것은 신약을 시장에 출시하는 것과 마찬가지로 길고 위험한 과정입니다. 기술적인 장애물과 높은 실험실 시간 및 생산 비용으로 인해 많은 파괴적인 재료가 조기에 실패하게 되었습니다.
탄소 나노물질의 경우 전도성 문제와 생산 문제로 인해 탄소 나노물질을 기반으로 한 컴퓨터 칩이 처음 예상했던 것보다 더 멀리 떨어져 있을 수 있습니다.
현재 스타트업, R&D 부서 및 대학 연구실에서 독특한 나노카본 소재를 개발 및 출시하고 있습니다.
그래핀과 탄소나노튜브
나노물질은 크기가 작기 때문에 높은 강도 대 중량 비율(즉, 강도는 높지만 무게는 가벼움)과 우수한 전기 연결성을 포함하여 기존 벌크 물질과 비교할 수 없는 특성을 가지고 있습니다.
탄소 기반 나노소재, 특히 그래핀과 탄소나노튜브는 다양한 산업 소재를 대체할 수 있는 잠재력을 보여왔다.
그래핀은 벌집 구조로 배열된 단일 원자 두께의 탄소 층입니다.
탄소나노튜브(CNT)는 관형 구조로 배열된 그래핀 시트입니다.
탄소 나노튜브는 1990년대 초반에 처음 발견되었지만 그래핀은 2004년에야 맨체스터 대학의 과학자들에 의해 분리되었습니다.
그래핀과 탄소나노튜브는 유사한 특성과 응용에도 불구하고 수년에 걸쳐 서로 다른 개발 경로를 보여 왔습니다.
그래핀은 지금까지 측정된 물질 중 가장 강한 물질입니다. 무게 대비 강도가 뛰어나고 초전도체에 가까운 전기 전도도를 가지며 거의 투명합니다. 항공우주부터 반도체, 스포츠 장비에 이르기까지 다양한 산업 분야에서 그래핀을 사용하여 성능을 향상시킬 수 있는 방법을 연구하고 있습니다.
세계에서 가장 가벼운 소재 중 하나인 그래핀 에어로겔
반도체 산업에 힘입어 CNT 관련 연구가 더욱 집중되었습니다. IBM은 컴퓨터 칩에 사용할 탄소 나노튜브를 개발하는 데 상당한 자원을 투자해 왔습니다.
그래핀VC '발열 감소'
2007년부터 2015년까지 그래핀 스타트업에 대한 자금은 꾸준히 증가했지만, 2016년 거래 및 자금 감소는 완전히 회복되지 않았습니다.
이러한 쇠퇴는 기술이 혁신과 상용화 사이에 놓이게 되는 첨단 소재 개발의 전형적인 매력 상실을 반영합니다.
이 분야의 스타트업은 배터리, 의료 기기, 전자 제품 등 특정 그래핀 제품을 개발하기 위해 노력하고 있거나 일반 용도로 사용할 수 있는 재료를 효율적으로 생산하는 방법을 찾고 있습니다.
예를 들어, Vorbeck Materials는 인쇄 전자 시장을 위한 그래핀 기반 잉크 및 코팅을 개발하고 있습니다. 이 회사의 그래핀 제품은 웨어러블 전자 장치, RFID(무선 주파수 식별), 센서 및 기타 응용 분야에 사용할 수 있습니다.
생산 측면에서는 다우벤처스와 삼성벤처스로부터 자금을 지원받은 XG 사이언스(XG Sciences)가 그래핀 소재를 제조 및 판매하고 있다. 이 회사의 독자적인 공정은 다양한 응용 분야의 첨가제로 사용되는 '나노시트'라고 불리는 그래핀 시트의 작은 스택을 생성한다.
CNT 관련 자금조달도 감소세
스타트업도 탄소나노튜브 기술을 개발하고 있지만 이 분야에 진출한 기업은 거의 없다.
탄소 나노튜브에 초점을 맞춘 스타트업 역시 2015년 이후 자금이 감소했는데, 아마도 그래핀 자금이 급락한 것과 같은 이유 때문일 것입니다. 수년간의 R&D 투자 후에도 탄소 나노튜브는 기술적 장애물에 직면했습니다. 최초의 돌파구가 나온 지 20년이 지났지만 여전히 널리 채택되지는 않습니다.
난테로는 가장 자금력이 풍부하고 야심찬 CNT 스타트업 중 하나다. 이 회사는 CNT를 이용해 NRAM(비휘발성 랜덤 액세스 메모리)을 개발했는데, 이 기술이 주요 반도체 저장 장치인 DRAM(동적 랜덤 액세스 메모리)과 플래시 메모리를 대체할 것으로 기대하고 있다.
Nantero는 CNT 기술을 사용하여 기존 반도체 소재보다 밀도가 높은 칩을 만들어 속도와 메모리를 크게 향상시킬 수 있다고 믿습니다.
Nantero는 Fujitsu에 기술 라이센스를 제공하여 상용화를 향한 발걸음을 내디뎠습니다. 그러나 탄소나노튜브가 고급 컴퓨팅에 널리 사용되기 위해서는 기술 및 시장 장애물을 여전히 극복해야 합니다.
기업은 투자보다는 자체 R&D 활동을 선호합니다.
모든 주요 반도체 회사들이 칩과 배터리용 그래핀을 연구하고 있습니다. CBinsights의 특허 검색 엔진에 따르면 삼성은 200개 이상의 그래핀 관련 특허를 보유한 최대 반도체 제조업체입니다. 2017년 말 회사는 기존 배터리보다 5배 빠르게 충전할 수 있는 그래핀 배터리 소재 개발을 발표했습니다.
탄소나노튜브는 반도체 산업과 대형 기술 기업으로부터 상당한 R&D 투자를 받아왔다. IBM은 탄소나노튜브와 관련된 200개 이상의 특허를 보유하고 있으며 소재 개발에 막대한 투자를 해왔다.
항공우주 분야에서 그래핀은 탄소 섬유와 같은 복합 재료의 첨가제로서 탁월한 특성을 보여주었습니다. Rensselaer Polytechnic Institute의 2010년 연구에 따르면 그래핀은 탄소 나노튜브보다 성능이 뛰어나 복합 재료를 더 강하고 강하며 결함이 덜 발생하는 것으로 나타났습니다.
에어버스도 그래핀 관련 연구에 투자해 6개의 그래핀 관련 특허를 보유하고 있다.
기술적 장벽으로 인해 애플리케이션이 방해를 받음
그래핀과 탄소 나노튜브는 현재 실험실에서 대규모 생산으로 이전하고 고유한 재료 특성을 활용하는 것이 어렵습니다.
예를 들어, 그래핀은 실리콘이나 구리보다 전기를 더 잘 전도합니다. 강도, 무게 및 투명성이 결합된 그래핀의 전기 전도성은 실리콘 기반 컴퓨터 칩을 대체하고 일상 전자 제품을 개선하는 것을 가능하게 합니다.
하지만 문제가 있습니다. 그래핀은 '갭리스(Gapless)' 반도체이기 때문에 물질을 통과하는 전류의 흐름을 멈출 수 없습니다. 컴퓨터 칩 제조업체는 실리콘 칩에 '밴드 갭'을 도입해야 했고, 이로 인해 사용자는 전자의 흐름을 막아 장치를 셧다운할 수 있었습니다. 이 공정의 어려움이 상용화의 주요 장애물입니다.
꽤 오랫동안 그래핀에 밴드갭을 도입하는 데 사용된 방법은 비효율적이거나 재료를 변경하여 관련 우수한 특성이 사라졌습니다.
2018년 4월, 카탈루냐 나노과학 및 나노기술 연구소가 이끄는 과학자들은 밴드 갭이 있는 '그래핀' 물질을 성장시키는 방법을 소개했습니다. 그래핀 기반 칩을 개발하는 이 중요한 단계는 2004년 그래핀의 최초 돌파 이후 거의 15년이 걸렸으며, 이는 새로운 물질을 개발하는 데 필요한 어려움과 시간을 입증했습니다.
탄소나노튜브는 밴드갭이 있어 컴퓨터 칩에 쉽게 장착할 수 있지만 대량생산이 중요한 문제이다.
탄소 나노튜브의 수십억 개의 작은 구조를 조작하는 것은 나노튜브의 고유한 특성을 활용하기 위해 나노튜브의 방향을 제어해야 하기 때문에 매우 어렵습니다. 널리 채택되기 전에 균일하고 결함 없는 탄소 나노튜브를 제공하기 위한 개선된 생산 방법이 필요합니다.
시장 장벽: 실리콘은 컴퓨팅 분야에서 여전히 큰 비중을 차지하고 있습니다.
탄소 나노재료 채택에 대한 시장 장벽은 기술적인 문제보다 더 어려울 수 있습니다. 새로운 재료는 기존 공급망에 맞추려고 노력하면서 회의론과 정체에 직면합니다.
호주 영연방 과학산업연구기구(Commonwealth Science and Industrial Research Organization)를 담당하고 있는 물리학자 Amanda Barnard는 2014년 인터뷰에서 다음과 같이 말했습니다. '우리는 이미 글로벌 실리콘 칩으로부터 수조 달러의 투자를 받았으며 이 수익성 있는 분야를 떠나지 않을 것입니다. '
35억 달러 규모의 삼성 반도체 제조 시설, 미국 텍사스주 오스틴
기존 업체들은 계속적인 투자를 포기하기 전에 기존 제품을 개선하거나 새로운 소재를 무시할 것이다. 기존 소재를 그래핀으로 전면적으로 대체하는 것은 실리콘 등 소재와의 시너지 적용을 달성하는 데 오랜 시간이 걸릴 것으로 보인다.
또 다른 장애물은 표준화입니다. 최근 그래핀 위원회가 60개 그래핀 제품을 검토한 결과 75% 이상이 단일 물질 특성을 갖고 있지 않은 것으로 나타났습니다. 제조업체가 그래핀을 효과적으로 판매하려면 표준화가 도입되어야 합니다.
또한 대체 소재로 업그레이드하려면 그래핀 가격이 폭락해야 한다. 그래핀은 현재 희귀하고 비싸지만, 실리콘 기반 반도체의 실행 가능한 대안이 되기 위해서는 상용 소재로 변신해야 한다.
그런 일이 발생하면 그래핀 중심 스타트업은 가격 경쟁을 할 수 없게 될 수 있습니다. 소규모 그래핀 스타트업은 사업을 중단하거나 그래핀 용량을 늘리려는 Dow Chemical과 같은 재료 회사와 같은 반도체 제조업체의 인수에 직면할 수 있습니다.
