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차세대 자동차 시스템을 위한 나노 기술

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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2012-12-30 16:45:31

본문

1. 서론
최근 글로벌 자동차 기업을 중심으로 자동차의 성능 혁신을 위한 다양한 신기술들이 연구, 개발되고 있다. 그 대표적인 트렌드 중 하나로 나노기술을 적용한 초소형/고성능 전자/디스플레이 소자, 나노복합 신소재 기반 에너지/환경/센서 소자 등의 개발이 있다.

글 / 박인규 (한국과학기술원)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2012년 10월호

본 고에서는 자동차 시스템에 관련이 깊은 나노기술을 논하고자 한다. 먼저 글의 앞부분에서 나노기술의 정의와 나노소재 및 나노소자 기술에 대해 소개한다. 그 후, 자동차 시스템에 적용이 가능하거나 이미 적용중인 나노기술에 대해 구체적으로 설명하고, 향후 기술 방향에 대해 간략히 논하고자 한다.

2. 나노기술(Nanotechnology)이란?
나노기술(Nanotechnology)는 일반적으로 100nm 이하의 크기를 갖는 소재/구조의 특별한 물리, 화학적인 특성을 응용해 전자, 에너지, 환경, 바이오 등 다양한 영역에 적용하는 기술을 말한다. 나노소재라 함은 나노입자, 나노와이어/튜브, 나노필름 등 최소한 1개의 축(Coordinate) 방향으로 100nm 이하의 크기를 갖는 소재를 말한다. 나노소재는 같은 화학조성의 벌크 소재와는 상이한 물리, 화학적 특성을 갖는데 양자갇힘(Quantum Confinement) 현상에 의한 전자들의 에너지 밴드 변형, 표면 플라즈몬 공명 현상(Surface Plasmon Resonance) 및 전자 에너지 밴드에 따른 광학적 특성 변화, 높은 표면에너지에 따른 높은 화학적 활성, 낮은 결정 결함 빈도에 의한 우수한 기계적 강도 등이 있다<그림 1>. 이와 같이 특별한 물리/화학적 특성을 기반으로 하여 초고속/초전력 트랜지스터, 고효율 발광소자, 고감도 바이오 센서, 고강도 나노복합소재 기반 구조재, 유연하면서 저가, 고효율의 디스플레이/태양전지 등이 실현되고 있다.

2.1 나노소재 (Nanomaterial)
앞서 말한 바와 같이 대표적 나노소재에는 나노입자, 나노와이어, 나노튜브, 나노박막
등이 있다. <그림 2 (a)> 에서 보는 바와 같이 나노입자는 x/y/z 3축 방향으로 모두 100nm 이하의 크기를 갖는 0차원 구조이고, 나노와이어는 x/z 2축 방향으로 100nm 이하의 크기를 갖고 y축 방향으로는 수백 nm ~ 수백 um의 길이를 갖는 1차원 구조체이다.

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나노튜브는 나노와이어와 유사한 구조를 가지나 가운데가 비어있다. 나노박막은 z축 방향으로 100nm 이하의 두께를 갖고 x/y축 방향으로는 특별한 제한이 없는 판상 구조체이다.

나노소재를 구성하는 원소로는 실리콘(Si), 탄소(C), 게르마늄(Ge) 등의 반도체, 은(Ag),금(Au), 철(Fe) 등의 금속뿐만 아니라 산소(O), 질소(N) 등 다양한 원소가 있으며 이들의 조합에 따라 폭넓은 전기, 화학, 광학적 물성을 갖는 나노소재를 만들 수 있다.

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대표적인 나노소재로 인쇄전자용 잉크로 널리 사용되는 은(Ag), 구리(Cu) 나노입자, 광촉매로 사용되는 이산화티타늄(TiO2) 나노입자, 차세대 2차전지 전극 및 바이오 센서로 주목을 받는 실리콘(Si) 나노와이어, 압전 소자및 광센서 등에 활용되는 산화아연(ZnO) 나노와이어, 차세대 유연 투명전극 및 반도체 소재로 각광받고 있는 그래핀 박막 등이 있다<그림 2 (b)>.

이러한 나노소재들은 일반적으로 화학적인 합성을 통해 만들어지는데, 고온의 기상(Gas-phase) 환경에서 합성되는 화학 기상 성장법(Chemical Vapor Deposition), 액상 환경에서 합성되는 용매열(Solovthermal) 합성법, 고밀도 레이저 에너지를 이용한 레이저 열분해(Laser Ablation) 합성법, 연소반응의 열에너지를 이용한 연소합성법(Combustion Synthesis) 등이 있다.

2.2 나노소자 (Nanodevice)
나노소자라 함은 나노소재 및 기타 요소들을 조합하여 유용한 기능을 수행하는 장치를
말한다. 그 목적에 따라 집적회로용 소자, 디스플레이 소자, 센서 소자, 에너지 변환 소자등으로 분류한다<그림 3>.

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첫 번째, 실리콘(Si) 나노와이어, 그래핀 등의 반도체 소재에 전기장의 인가를 통해 전류흐름을 제어할 수 있는 원리를 이용해 트랜지스터, 논리게이트, 메모리회로 등 집적회로용 소자로 활용할 수 있다.

두 번째, 산화아연 나노와이어나 탄소나노 튜브 등의 1차원 나노소재의 전계전자방출(Field Electron Emission) 효과를 이용하여 저전력으로 발광효율이 높은 광원 및 디스플레이 소자를 실현할 수 있다.

세 번째, 금속산화물 나노와이어, 카본나노 튜브 및 그래핀 등의 나노소재에 수용체(Receptor) 물질을 부착하여, 특정 분자에 대해 높은 선택성과 감도를 가지며 그 반응에 따른 전기적, 광학적, 기계적 특성의 변화를 측정하여 센서로 활용할 수 있다.

네 번째로, 산화티타늄 나노와이어, 실리콘 나노와이어, 산화아연 나노와이어 등의 1차원나노소재 전극을 사용하여 에너지 변환 효율이 높은 태양전지, 이차전지, 연료전지 및 압전 변환 소자 등으로 적용하는 연구도 이루어지고 있다.

3. 자동차 적용가능 나노 기술
나노기술은 전자, 에너지, 환경 등 다양한 산업분야의 판도를 재정립하며, 새로운 시장을 창출하고 있다. 반면, 자동차 산업의 경우 특히 기술적으로 철저한 검증이 되고 가격 경쟁력이 확보되어야 시장에 적용될 수 있어 아직 나노기술의 상용화가 더딘 편이다.

하지만 다양한 나노기술을 적용해 자동차의 첨단화, 친환경화를 실현하고자 하는 연구개발이 활발하게 이루어지고 있으며, 조만간 나노기술이 자동차산업의 패러다임을 바꿀 수 있을 것으로 기대된다. 대표적인 연구개발 방향으로 나노복합소재 기반 차체/구조 재료, 전력발전 소자, 플렉시블 투명 디스플레이 소자, 나노 환경 모니터링 센서, 나노촉매 대기정화 시스템 등이 있다.

3.1 나노복합소재 기반 차체/구조 재료
3.1.1 나노복합소재 기반 초경량/고강도 차체 소재
탄소나노튜브(CNT)는 탄성계수가 1TPa 이상, 인장 강도가 10GPa 이상으로 일반적인 금속 및 세라믹 소재보다 월등한 기계적 성능을 갖고 있다. 따라서 탄소나노튜브와 나노분말 금속소재를 함께 섞어 초경량, 고강도, 내마모성 복합소재를 제작하는 연구가 활발히 이루어져 왔다.

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대표적인 금속-탄소나노튜브 복합재의 예로는 Al-CNT, STS-CNT, W-CNT 등이 있다<그림 4 (a)>. 또한 탄소나노튜브와 고분자 소재를 함께 섞어 만든 탄소나노튜브 강화 고분 자 복 합 소 재 (Carbon Nanotube Reinforced Polymer:CNRP)가 개발되고 있다. 특히 고분자에 탄소나노튜브를 혼합하여 기계적인 특성뿐만 아니라 열/전기전도성을 대폭 향상시켜 부품의 과다가열, 정전기 축적 등의 문제를 해결할 수 있다<그림 4 (b)>. 이미 BMW, Toyota 등의 주요 자동차 업체들에서 탄소섬유(Carbon Fiber)로 강화시킨 고분자 복합소재(Carbon Fiber Reinforced Plastic:CFRP)를 초경량 스포츠카에 적용하고 있다(예: Benz SLS AMG, BMW M3 CRT : <그림 4 (c)>).

그러나 이 경우 직경 수 마이크론의 흑연(Graphite) 파이버 소재를 사용하고 있으며, 단가 및 제작 공정의 어려움 때문에 훨씬 기계적 성능이 우수하고 가벼운 카본나노튜브 복합소재를 사용하지는 않았다. 현재 다수의 자동차 업체에서 카본나노튜브 복합소재의 합성 및 성형기술에 대해 활발하게 연구하고 있다.

3.1.2 초소수성 유리창
마이크로/나노 구조물로 텍스쳐링하고 경우에 따라 소수성물질로 표면코팅을 하여 수분이스며들지 않고 물방울이 흘러내리도록 하는 표면을 초소수성(Superhydrophobic) 표면이라 한다. 초소수성 표면은 자연에서 많이 찾아볼 수 있는데 대표적인 예로 물에 잘 젖지 않는 연잎, 곤충의 날개 등이 있다.

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초소수성을 모사하기 위해서는 낮은 표면에너지와 나노스케일의 표면 구조를 갖고 있어야한다. 다양한 마이크로/나노 패터닝 및 하이브리드 3차원 구조물의 제작공정이 개발됨에 따라 우수한 성능의 초소수성 표면 제작이 용이해졌다. 이러한 초소수성 표면을 통해 자동차 유리창의 김서림 및 빗물의 번짐 현상의 방지가 가능하다. 또한 빗물이 흘러내리면서 유리창이나 차체의 표면에 붙어있던 먼지입자들도 떨어져나가 자가 세척이 가능해진다<그림 5>.

3.2 나노소재 기반 에너지 변환소자
3.2.1 태양전지
태양전지는 광전물질이 광자(Photon)를 흡수하여 전자와 정공의 짝을 만들고, 이를 전극에서 뽑아내어 전기를 생산하는 장치이다. 단결정 실리콘계 태양전지가 가장 일반적이고, 비정질 실리콘, CdTe, CIGS 박막 태양전지 등이 상품화 되어있다. 최근 산화티타늄(TiO2) 나노입자 혹은 나노와이어 전극과 태양광 흡수용염료 고분자, 전해질, 투명전극 등으로 구성된 염료감응형 태양전지(DSSC), 나노구조를 갖는 반도체성 이종유기박막을 이용한 유기태양전지, GaAs, InP 등의 나노결정 박막을 이용하여 효율을 증대시키는 나노결정박막 태양전지 등 나노기술을 기반으로 한 태양전지 개발이 활발히 이루어지고 있다.

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태양전지를 자동차의 보조 동력원으로 사용해 연비를 향상시키는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 미쓰비시 화학에서 초박막 플렉시블 태양전지를 차체에 코팅하여, 연비를 50% 이상 향상시키는 연구를 하고 있다. 또 다임러(Daimler)와 BASF가 공동으로 개발한 컨셉트카인 Smart Forvision에는 투명 유기 태양전지를 페인트처럼 차체에 발라 태양광발전을 하고 보조 동력원으로 사용하는 기술이 탑재되어 있다<그림 6 (a)>.

3.2.2 연료전지
연료전지는 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 통해 전기에너지를 생산하는 장치이다. 연료로는 수소, 탄화수소, 에탄올 등이 쓰이며 산화제로는 산소, 공기, 염소 등이 사용된다. 연료 사용의 폭이 크며, 발전 효율도 우수하고, 미세먼지나 NOx 등의 대기오염원이 적어 여러 가지 장점이 있는 기술이다. 이에 따라 글로벌 자동차기업들이 연료전지 자동차를 개발하고 있다.

그러나 가격이 높고, 출력밀도가 낮으며 수소저장 등의 기술적 난제가 있어 상용화의 걸림돌이 되고 있다. 이를 해결하기 위해 다양한 나노기술이 적용되고 있는데, 금속 나노입자 기반의 고효율 촉매, 나노 다공성소재를 이용한 촉매담체, 나노튜브 기반 초경량, 고전도성 양극판, 그래핀/탄소나노튜브 등을 이용한 고효율 수소저장 기술 등이 활발히 개발되고 있다<그림 6 (b)>.

3.2.3 기계적 에너지 변환 장치
기계적 응력을 받으면 전압을 발생하는 물질을 압전물질이라 한다. 대표적인 압전물질의 예로 산화아연(ZnO), 질화알루미늄(AlN), PZT 등이 있다. 압전물질을 이용해서 기계적 진동, 압력, 충격 등 소모되어 없어지는 기계에너지를 전력발전에 사용하는 기술 개발이 주목을 받고 있다. PZT 압전소자를 타이어에 부착해 규칙적으로 발생되는 타이어의 변형으로 전력을 발생하거나 자동차 차체에 부착해 노면의 충격이나 엔진의 진동으로부터 전력을 발생시키는 연구들이 활발하게 이루어지고 있다. 그러나 아직까지 에너지 변환 효율이 낮고, 발전소자의 가격이 높은 단점이 있다.

최근 나노소재를 이용해 압전 발전소자의 성능을 혁신시키는 다양한 연구가 이루어지고 있다. 그 대표적인 예로는 ZnO, CsS, GaN, BaTiO3, PZT 등의 1차원 나노구조체를 이용한 초소형 발전 소자와 PVDF 등의 압전 고분자 및 PZT 물질의 전기방사를 통해 제작된 나노섬유를 기반으로한 플렉시블 압전 발전소자 등이 있다. 또한 근접장 전기방사 방법 등의 공정을 이용해 일렬로 배열한 나노압전 소자를 이용해 낮은 출력을 보완하여 고 출력밀도를 실현하는 연구도 이루어지고 있다<그림 6 (c)>.

3.3 나노소재 기반 투명 디스플레이, 조명
3.3.1 투명 디스플레이
자동차의 상태, 주행정보, 보행자 및 주변차량 거리 등 안전 정보를 그래픽 이미지의 형태로 운전자의 전면 유리창에 표시하는 투명 디스플레이 기술인 Head-Up-Display(HUD)가 주목을 받고 있다.

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이를 통해 운전자의 안전과 편의를 크게 높여줄 수 있어 고급 승용차를 중심으로 탑재되고 있다.현재 적용되는 기술은 기본영상을 반사거울, 투영거울을 통해 유리에 허상을 맺히게 하는 방식이다. 그러나 이 경우 고휘도 영상장치가 필요하고, 투영장치를 위한 공간이 많이 필요하다. 최근에는 이러한 투영장치 없이 직접 유리창에 영상이 나타나게 하는 투명 디스플레이 기술이 개발되고 있다. 투명한 고분자 필름위에 제작된 플렉시블 유기 발광 소자(OLED)가 그 대표적 예이다<그림 7 (a)>.

유기발광 다이오드는 빛을 내는 층이 유기화합물로 되어있는 박막 발광다이오드로 LCD처럼 백라이트(Backlight)가 필요없고, 응답속도가 빠르며 높은 투명도를 실현할 수 있다. 고성능 유기발광 다이오드를 실현하기 위해 다양한 나노소재 기술이 개발되고 있다. 첫 번째 예로, 탄소나노튜브의 전계방출 효과를 기반으로 하여 낮은 구동 전류로 고휘도의 빛을 낼 수 있다. 두 번째 예로, 나노임프린트 리소그래피 공정을 이용해 대면적의 기판에 규칙적인 나노패턴을 제작하여 넓은 범위의 파장대에서 낮은 굴절률과 높은 광투과율을 가능케하여 발광효율을 증가시킬 수 있다<그림 7 (b)>.

3.3.2 고휘도 LED 조명
앞에서 설명된 나노소재 기반 고성능 OLED는 디스플레이 뿐만 아니라 고휘도, 저전력 LED 조명에도 응용될 수 있다. 아우디의 컨셉트카인‘비전스(Visions)’에는 자동차 외관에 OLED를 부착하여 저전력으로 밝은 전조등과 후미등을 실현하고 있으며, 앞서 말한 다임러와 BASF의 합작품인‘Smart Forvision’에서도 OLED 등을 자동차 실내조명에 적용하였다<그림 7 (c)>. 전력소모가 낮으면서도 밝고, 유연하여 다양한 곡면에 부착이 가능한 나노소재기반 플렉시블 투명 OLED는 앞으로 가격 경쟁력이 확보된다면 더욱 폭넓게 자동차 조명장치에 응용이 될 것으로 전망된다.

3.4 나노소재 기반 화학/바이오 센서
3.4.1 배기가스 센서
환경문제에 대한 관심이 높아지면서 자동차의 배기가스에 대한 규제도 점점 철저해지고 있다. 이에 따라 배기가스 성분을 정확하게 측정해야할 필요성이 커지고 있다. 일반적으로 배기가스에는 NOx, CO, H2O,O2, PM 등 다양한 요소들이 존재한다. 특히 주요 대기 오염원인 NOx 및 CO는 금속 산화물 반도체 입자필름을 이용한 전기저항식 센서를 주로 사용하는데 고온에서 작동되고 비특이성을 보이며 수분과 온도에 민감하게 영향을 받는 단점이 있다.

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이러한 단점을 보완하기 위해 다양한 나노기술들이 적용이 되고 있는데 마이크론 단위 크기의 입자 대신 금속산화물 나노입자/나노와이어, 탄소나노튜브, 그래핀 등의 나노소재를 사용하여 민감도와 응답속도를 높이는 기술, 촉매용 금속 나노입자나 고분자 기능층을 첨가해 선택성을 향상시키는 기술, 다공질 흡습 나노소재를 이용해 습도에 대한 영향을 감소시키는 기술 등 다양한 나노소재 기반 센서 기술이 개발되고 있다. 특히 MEMS 플랫폼에 나노소재를 집적시켜 저전력, 고감도, 초소형 가스센서 개발을 하는 노력도 계속되고 있다<그림 8(a)>.

3.4.2 바이오 센서
운전자는 장시간 운전 시 쉽게 피로를 느낄 수 있으며 이는 졸음운전, 집중력 저하 등으로 자동차 사고의 주요 원인이 될 수 있다. 핸들에 부착된 바이오센서가 운전자의 신체 상태를 알려주어 위험한 상황을 미리 막을 수 있게 해 주는 기술이 개발되고 있다. Toyota와 Sony의 합작품으로 개발된‘Pod’라는 컨셉카에서는 자동차 핸들에 달려있는 바이오 센서로 운전자의 땀, 맥박, 혈압, 피부의 임피던스 등을 측정해 운전자의 상태를 알려주는 기술이 선보였다<그림 8 (b)>. 이 외에도 운전자의 건강정보, 음주 정보, 심리 상태 등을 측정해서 알려주는 스마트 핸들 센서들이 여러 연구기관에서 개발되고 있다.

3.5 나노소재 기반 환경정화 장치
3.5.1 실내공기 정화장치
자동차 실내에는 이산화탄소, 먼지, 매연 등 각종 유해물질과 세균이 번식하기 쉬워 이로 인해 두통, 구토,호흡기 장애 등을 일으킬 수 있다. 이러한 실내공기 정화를 위해 다양한 나노기술들이 개발되고 있는데 산화티타늄(TiO2) 나노입자의 광촉매 특성을 이용한 기술이 유용하게 쓰이고 있다.

그 첫 번째 예는 유리섬유나 고분자 섬유 매트릭스에 산화티타늄 나노입자를 코팅한 실내공기 필터로 자외선을 조사하면 산화티타늄의 광촉매 반응으로 인해 유해물질이나 바이러스가 분해된다. 이와 같은 다공성 구조에 산화티타늄 나노입자를 사용함으로써 반응 면적을 넓히고 반응활성을 크게 할 수 있다.

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두 번째 예로 산화티타늄 나노입자가 포함된 복합소재를 자동차 시트, 핸들, 계기판 등의 구조물에 사용하면 광촉매 반응으로 먼지, 박테리아, 유해물질들이 햇볕에 의해 저절로 분해됨으로써 실내 공기의 유해인자를 줄일 수 있다<그림 9 (a)>.

3.5.2 배기가스 촉매반응기
앞서 설명한 바와 같이 자동차 배기가스에 대한 규제가 날로 심해져 3원 촉매 반응기를 통해 배기가스를 효율적으로 정화하는 기술이 점점 더 중요해지고 있다. 3원 촉매장치에서는 배기가스 중에 HC, CO, NOx를 동시에 산화 혹은 환원 반응해서 정화하는데 Pt는 CO 및 HC의 산화작용, Rh는 NOx의 환원작용에 사용되며 Pd가 Pt, Rh의 대용으로 사용되기도 한다. 촉매반응기의 성능향상과 가격 감소를 위해 차세대 촉매나 노소재의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 촉매 귀금속 입자를 수 nm의 크기로 줄이고 반응성을 높이며 촉매담체에서의 응집작용을 방지해 효율의 저하를 방지하는 기술이 개발되고 있다. 또한 촉매반응에 최적화된 크기, 형태 및 결정성을 정확하게 구현해 나노입자를 합성하는 기술, 반응성 향상 및 피독현상 저하를 위한 다종 성분 복합 나노입자의 제작 기술도 활발히 연구되고 있다. 또한 나노섬유, 나노와이어, 나노다공성 필름으로 촉매담지체의 표면적을 극대화시켜 압력강하를 크게 높이지 않으면서도 촉매 반응 효율을 높이는 연구 등이 이루어지고 있다<그림 9 (b)>.

4. 결론
본 고에서는 나노기술에 대한 간략한 소개와 자동차에 이미 응용되고 있거나 향후 적용이 될 수 있는 나노기술에 대해 설명하였다. 글을 통해 알 수 있다시피 아직 대부분의 기술들이 시장에 적용되지 않았거나 막진입하려는 단계이다. 또한 상당히 많은 기술들이 초기 연구 개발단계이고, 성능의 신뢰성이 입증되지 않은 상태이다. 그러나 확실한 사실은 앞으로도 첨단 나노기술들이 자동차의 다방면에 무궁무진하게 응용될 것이라는 것이다. 이러한 추세에 맞추어 발 빠르게 혁신적 성능, 우수한 가격경쟁력, 안정적 성능이 확보된 나노기술을 선점 개발하면 자동차 산업의 새로운 패러다임을 열 수 있을 것이다.
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