▲ CNT는 LIB 양극과 음극 도전재로 적용이 활발해지고 있다. 제이오는 양극재에 들어가는 Thin Wall CNT ‘JENOTUBE 10B’(左)와 음극재에 들어가는 Thin Wall CNT ‘JENOTUBE 6A’를 생산하고 있다.

전기차 시장 확대에 힘입어 리튬이온배터리(LIB) 수요가 연간 100Gwh를 돌파한 가운데 양·음극재 도전재로 사용되는 고순도 탄소나노튜브(CNT) 수요도 LIB에서만 1만톤에 달할 것으로 예상되면서 관련 CNT 기업들이 증설에 박차를 가하고 있다.

1월29일부터 1월31일까지 일본 도쿄 빅사이트에서 열린 ‘나노테크 2020’에서는 국내 Thin Wall CNT 전문기업 제이오와 해외기업인 제온(ZEON), 옥시알 등이 LIB에 적용되는 CNT를 출품하고 홍보에 나섰다.

CNT는 전기 전도도가 구리와 비슷하고, 열전도율은 자연계에서 가장 뛰어난 다이아몬드와 같으며, 강도는 철강보다 100배나 뛰어난 ‘꿈의 신소재’로 벌써 근 20년간 어플리케이션 개발이 진행돼 왔다. 고강도, 정전기 방지, 전자파차폐 등 특성을 이용한 필름, 투명전극, 전선, 타이어, 복합소재 등에 적용이 확대됐지만 이렇다 할 ‘킬러 어플리케이션’이 없어 한화케미칼과 같은 대기업도 CNT 사업을 접을 정도로 시장 상황이 좋지 않았다.

그러나 LIB가 소형 IT 가전기기에서 전기차, ESS(에너지저장장치) 등 중대형시장에 적용되면서 CNT 시장 상황은 급변했다. 도전재는 배터리내 전하의 이동통로 역할을 하는 것으로 기존에는 카본블랙이 사용됐는데 이를 CNT로 대체하면 에너지 밀도 및 수명이 향상되고 배터리 크기도 줄일 수 있는 장점이 있다.

특히 장거리를 운행하는 전기차에 대한 수요 확대로 CNT 고순도화에 필요한 제조 및 분산기술이 열쇠를 쥐게 됐다. 니켈, 코발트, 망간을 혼합한 리튬 산화물인 NCM 삼원계 양극재가 전기차에 적용이 확대되고 있는데 이에 1회 충전에 500㎞ 이상 주행이 가능한 '3세대 배터리'에는 니켈이 80%가 들어가고 코발트와 망간이 10%씩 들어가는 NCM811이 대부분 쓰일 것으로 기대되고 있다.

전기차 및 이차전지 시장조사 업체인 SNE리서치에 따르면 2018년 전세계 전기차용 LIB 출하량은 109.8GWh을 기록했는데 이는 전년대비 83%나 상승한 수치다. 2019년에는 세계 최대 시장인 중국 경기침체와 보조금 축소 등에서의 전기차 시장 성장세가 완화되면서 1~11월 LIB 출하량은 전년동기대비 25% 성장한 100GWh를 기록했는데 여전히 높은 성장률을 보이고 있다.

그런데 NCM 배터리에 필요한 CNT는 철(Fe)이 없어야 하고 분산이 잘되는 고순도 제품이 필요하다. 이러한 CNT를 공급할 수 있는 기업은 국내 LG화학, 제이오, 일본의 제온, 중국의 시나노 등으로 극소수다. 이에 한국 LIB 생산기업인 LG화학, 삼성SDI, SK이노베이션은 물론이고 세계 2위 LIB 기업인 파나소닉과 중국 기업들은 모두 고순도 CNT를 구하는데 혈안이 돼 있다.

이처럼 고순도 CNT 몸값이 올라가면서 관련 기업들은 증설에 박차를 가하고 있다. 세계 전기차용 배터리 3위 기업인 LG화학은 지난 2017년 여수에 약 250억원을 투입해 연산 400톤 규모의 CNT 전용 공장을 구축했으며 최근 여수에 1,200톤 추가 증설을 추진하고 있는 것으로 알려지고 있다. 이렇게 증설한 물량도 자체적으로 소화가 가능할 정도다.

우리나라에서 최초로 멀티월 CNT(다중벽탄소나노튜브)를 양산한 제이오는 배터리 시장을 타깃으로 싱글월 CNT(단일벽탄소나노튜브)의 품질과 멀티월 CNT의 가격대를 맞춰 개발한 Thin Wall CNT의 수요 증대에 발맞춰 300톤을 추가 증설할 계획이다. 현재 캐파인 100톤을 합하면 400톤이 되지만 이마저도 수요에 대응하기 부족한 상황이다.

강득주 제이오 대표는 “LIB 시장이 100Gwh를 돌파한데 이어 한 개 LIB 회사가 수천톤 규모의 CNT(제품에 바로 쓸 수 있는 분산된 CNT 기준)를 요청하고 있어 올해 분산된 CNT 수요는 1만톤, 순수 CNT 기준으로 2천톤에 달할 것으로 추산되고 있다”며 “제이오는 이후 추가 증설에 필요한 자금 확보를 위해 3년안에 상장을 추진할 계획도 가지고 있다”라고 밝혔다. 

현재 CNT는 LIB 양극재에 많이 사용되고 있으나 음극재 수요가 크게 늘어나고 있으며 또한 LIB를 대체할 차세대 배터리로 각광받고 있는 전고체 배터리에도 적용되면서 수요가 꾸준히 증가할 전망이다. 전고체 배터리는 리튬이온이 이동하는 전해질을 고체로 만들어 안전한데다 전해액과 분리막을 없애고, 비는 공간에 에너지밀도가 더 높은 물질을 집어넣을 수 있고 박막화가 가능한 장점이 있다. 전고체 배터리의 중간 고체 전해질에는 CNT와 그래핀이 필수적으로 들어가게 될 전망이다. 일본의 도요타는 전고체 배터리를 사용하면 출력과 전기저장량이 LIB 보다 2배 이상 늘어날 것으로 보고 있으며 2022년엔 자사의 전기차에 탑재한다는 계획을 갖고 있다.

또한 CNT의 정전기 방지 특성을 활용한 클린룸 바닥재, 강도 향상을 위한 컴파운드 등으로 수요도 늘고 있다.

CNT 업체 관계자는 “CNT는 LIB라는 킬러 어플리케이션을 통해 상용화에 성공한 대표적인 나노제품이 됐다”며 “CNT 100톤 증설하는데 약 100억원이 필요하기 때문에 자금력과 함께 제품화에 필수적인 CNT 분산 기술을 확보하는 것이 관건”이라고 밝혔다.