기획특집 CNT (carbon nano tube) 기술－
탄소나노튜브 국제표준화 동향
오 경 희⋅이 헌 상*,†
기술표준원, *동아대학교 화학공학과
Standardization Trends and Technologies for Carbon Nanotubes
Kyunghui Oh and Heon Sang Lee*,†
Materials & Nanotechnology Standards Division, Korean Agency for Technology & Standards, Ministry of Knowledge Economy, Kyeonggi 427-716, Korea
*Department of Chemical Engineering, Dong-A University, Busan 604-714, Korea
Abstract: 탄소나노튜브는 국제적으로 주목을 받고 있는 21세기의 대표적인 신소재로서 디스플레이, 반도체, 바이오, 복합소재에 이르기까지 매우 다양한 용도로 경쟁적으로 개발되고 있으며, 일부 분야에서는 이미 상업화 초기단계에 진 입하고 있다. 탄소나노튜브를 주축으로 하여 나노물질의 활용도가 증가함에 따라서 상업화에 도움이 되면서 환경 및 안 전성을 고려하는 방향으로 국제표준화의 필요성이 대두되고 있다. 국제표준화 활동은 용어의 표준, 측정방법 및 특성화 에 대한 표준 및 환경과 취급상의 안전성에 대한 표준 제정을 포함한다. 본 고에서는 탄소나노튜브의 국내⋅외 표준화 동향에 대하여 기술하였다.
Keywords: carbon nanotube, standardization, ISO TC229, OECD, IEC TC113
1. 서 론1)
탄소나노튜브는 고분자 복합소재, 금속 복합 소재, 투명전극, 이차전지, 바이오-의료, 전계 방출, 센서, 초경량강화소재 등 다양한 산업분 야에서 활용이 예상되고 있으며, 일부 용도에 서는 이미 상업화 초기단계에 들어서고 있다.
탄소나노튜브는 21세기를 대표하는 신소재 로서 스포트라이트를 받는 이면에, 다양한 미 세구조의 변화에 따른 특성평가, 측정방법, 안 전성 및 품질 평가와 관련한 어려움이 상존하 고 있다. 나노기술과 관련된 용어의 정의, 나 노물질의 특성에 대한 측정방법, 환경에 대한 영향, 안전성 등에 대한 신뢰성 있는 표준화된 방법이 개발되어야 한다는 문제는 OECD를 비롯하여 국제적으로 관심을 가지기 시작하였 다. 탄소나노튜브의 안전성 평가와 관련된 국
†주저자 (E-mail: [email protected])
제표준화는 국제표준화 기구인 ISO의 나노기 술위원회(TC229) 및 IEC/TC113에서 30여개 국 이상의 적극적인 참여로 이루어지고 있다.
ISO/TC229의 전략적인 정책은 나노기술의 상 업화에 도움이 되는 국제표준화 작업을 기본 으로 하고 있으나, 동시에 나노물질의 잠재적 위험성이나 위험물질 관리에 대한 표준화를 추구하고 있다. OECD (경제협력개발기구)/
WPMN (제조나노물질작업반)에서는 탄소나 노튜브, 은, 이산화티탄을 포함한 14가지 나노 물질의 독성평가에 대한 가이드라인 개발에 착 수하였으며 또한 작업장이나 실험실에서의 나 노물질 관리 문제에도 관심을 기울이고 있다.
본 고에서는 국내⋅외 나노기술 표준화 동 향 및 표준화와 관련된 기술개발에 대하여 살 펴보고자 한다.
2. 표준화 동향
2.1. 국제 표준화 동향
탄소나노튜브의 표준안 마련 움직임은 2003 년 IEEE (전기전자기술자 학회) 산하의 나노 기술 위원회의 표준화 위원회에서 시작되어 탄소나노튜브의 전기적 성질에 관한 측정 표 준안, IEEE-1650 (Standard Test Methods for Measurement of Electrical Properties of Car- bon Nanotubes)이 연구자와 제조업체에서 사 용할 수 있도록 개발되었다. 이 표준안 개발로 탄소나노튜브의 전기적 특성 평가를 위한 시 험 및 결과보고 절차를 통일 할 수 있게 되었 다. 최근 이 표준안은 IEC/TC 113에서 검토 가 되어 보완 후 IEEE/IEC 이중로고로 규격 이 출판될 예정이다.
우리나라에서 ISO/TC229에 '08. 6월에 제안 한 “4-프로브를 이용한 탄소나노튜브의 전기 적 특성 측정방법"은 나노소재의 전기적 특성 표준개발은 IEC/TC 113이 담당하는 것으로 업무 분담이 되어 있어서 ISO/IEC 공동 프로젝 트로 WD (작업문건) 작성 단계에 있다.
현재 IEC/TC 113에서 진행 중인 탄소나노 튜브 관련 표준문건은 다음과 같다; ICP-MS 를 이용하여 탄소나노튜브의 금속 불순물 측 정을 위한 표준방법, 4 프로브방법을 이용한 탄소나노튜브의 전기적 성질, 전기적인 용도에 사용되는 단일벽 탄소나노튜브의 사양. IEEE 의 활동 외에도 2003년을 시작으로 미국 NASA (항공우주국)의 주도로 NIST (국립표준기술 원)가 탄소나노튜브의 표준화에 관한 Work- shop을 개최하여 탄소나노튜브의 응용과 표준 화의 필요성에 대한 논의와 함께 제품개발과 기술개발에서 이슈로 등장하는 순도와 분산평 가에 대한 가이드라인을 제시하였으며 탄소나 노튜브 관련 특성 표준화 방법을 개발하기 위 한 활동이 시작되었다고 볼 수 있다.
이러한 국제표준화 노력들을 바탕으로 하 여 국제표준화기구(ISO)에서는 나노기술위원 회(TC229)를 2005년에 설립하였으며, 2009년
6월 미국 시애틀에서는 8차 국제표준화회의가 개최되었다. 현재는 30여개국에서 ISO 국제표 준화 회의에 참여하고 있다. ISO/TC229는 네 개의 분과로 나누어서 국제표준화를 진행하고 있는데, WG1은 용어, WG2는 측정 및 특성평 가, WG3은 환경, 독성, WG4는 나노물질의 스펙을 다루고 있다. 각 분과는 탄소나노튜브 와 관련된 국제표준문서 들의 국제표준화를 진행하고 있다.
2.1.1. ISO/TC229/JWG1 (용어 및 분류, Nomencla- ture)
2008년에 ISO/TC229/WG1에서는 ISO/TR 27687를 발간하였으며, 제목은 “나노기술-나노 물질의 용어 및 정의”이다. 이 문서에서는 나 노물질의 정의를 약 1 nm~100 nm 크기로 정의하고 있다. 나노튜브, 나노혼, 나노섬유, 나노물질의 정의도 이 문서에 수록되어 있다.
WG1에서는 탄소나노물질, 나노구조체, 바이 오-나노 계면, 나노크기의 측정 및 기구, 나노 물질의 생산 및 제조 등과 관련된 용어에 정 의를 표준화 하는 데에도 관심을 기울이고 있 다. 향후, 나노기술과 관련된 각종 규제가 제 정될 때 국제표준화기구에서 정의한 용어의 개념이 주요하게 작용할 것이라는 점에서, 국 내의 학계, 산업계에서도 국제 표준화에 적극 적으로 대응할 필요가 있다.
2.1.2. ISO/TC229/JWG2 (측정 및 특성평가, Mea- surement and Characterization)
나노물질의 측정방법 및 특성화에 대한 국 제표준화는 WG2에서 이루어지고 있으며, 탄 소나노튜브에 대한 국제표준화를 우선순위로 진행하고 있다. 현재 단일벽 탄소나노튜브와 관련된 9개의 국제표준문서가 진행중이며, 다 중벽 탄소나노튜브에 관련된 2개의 국제표준 문서가 진행중이다. 단일벽 탄소나노튜브의 특 성화를 위하여서는 SEM, TEM, UV-VIS- NIR, TGA 등의 측정방법에 대한 표준화가 진 행 중이다. PG7에서는 이내성 교수가 미국 표
Figure 1. ISO/TC229/JWG1의 로드맵.
준기술원과 공동작업으로 단일벽탄소나노튜브 의 순도를 TGA를 이용하여 측정하는 방법에 대하여 작업하고 있다. PG9에서는 이헌상 교 수가 다중벽 탄소나노튜브의 형상측정에 대한 국제표준화 작업을 리딩하고 있다. 나노물질의 경우 형상 및 크기에 따라서 물리적, 화학적 성질이 다양하게 변화하는데 다중벽 탄소나노 튜브의 경우 합성방법에 따라서 매우 다양한 형상을 나타나게 된다. 탄소나노튜브 한개 크 기의 관점에서 형상을 구분하는 것을 메조스 코픽 형태학이라고 한다. PG9에서는 통계물리 적 방법을 탄소나노튜브에 도입하여, 다중벽 탄소나노튜브의 메조스코픽 형태를 수치로 측 정하고(전자현미경, 광산란, 점도계 이용) 이 에 따라서 다양한 형태의 탄소나노튜브를 분 류 및 분리할 수 있도록 하는 방법을 표준화 하고 있다. 이 기술의 국제표준화가 완성될 경 우에 국내외 실험실 및 기업에서 체계적으로
탄소나노튜브의 특성을 활용할 수 있을 것으 로 보인다.
국제표준화는 일반적으로 NWIP(New Work- ing Item Proposed)를 제안하여 투표권을 가 진 회원국의 과반수 이상이 찬성하고 5개국 이상에서 전문가를 추천하면 제안자가 프로젝 트 리더가 되어 제안한 기술의 국제표준화를 주도하게 된다. 전문가로 구성된 각 프로젝트 에서는 WD (working draft)작업을 거쳐 CD (comittee draft)를 제출하게 되고 다시 국제 투표를 거쳐 2/3 이상 회원국이 찬성할 경우 에 국제표준문서로 발간되게 된다. 탄소나노튜 브의 특성화 및 측정에 대한 국제표준화는 국 제사회의 요구에 따라서 서둘러 진행이 되고 있지만, 아직 신생분야인 탄소나노튜브를 국제 표준문서(IS)로 진행하기에는 시기상조라는 인식이 공유되어 WG2에서는 모든 프로젝트 의 결과물을 TS (test specification)로 먼저 발
Figure 2. 메조스코픽 형상의 정의; PG9.
간한 이후에 IS로 진행하기로 하였다. TS는 국 제표준문서의 형태로서, 아직 국제표준화 작업 을 하기에는 이른 단계에 있지만, 국제적인 정 보공유가 필요하다고 판단되는 기술의 경우 TR (test report)로 발간할 예정이다.
2.1.3. ISO/TC229/WG3 (환경, 보건, 안전, EHS) WG3는 탄소나노튜브에 국한되지 않고 나 노제품의 시장진입을 위한 안전성평가 표준 확보를 타겟으로 하고 있다. 현재까지 나노물 질의 직업적 노출관리에 대한 가이드라인에 대한 기술보고서 작업을 완료하고 ISO/TR 12885 (Nanotechnologies-Health and safety practices in occupational settings relevant to nanotechnologies)를 2008년 발행하여 우리나 라도 이 지침을 근간으로 하여 나노물질을 취 급하는 작업장/연구실의 작업안전지침(안)을 개 발하였으며 2009년 5월에 국가규격(KSA 6202) 으로 제정하였다. 또한 일본에서 제안한 엔도 톡신(Endotoxin)의 독성평가방법과 우리나라가 제안한 금속나노입자의 발생 및 흡입독성챔버 내에서의 모니터링에 대한 2건의 문건이 ISO 규격으로 추진 중이며 현재 세 문건 모두 CD 단계가 승인되어 DIS 문건으로 투표단계이다.
독성평가를 위한 나노소재의 물리적, 화학적 특성평가에 대한 가이드라인 개발이 '07년 6월
Figure 3. 메조스코픽 형상측정을 위한 3차원 분 석 [H.S. Lee and Coworkers, J. Phys. Chem. C, 112, 10653-10658 (2008); J. Phys. Chem. C, 111, 18882-18887 (2007)].
제안되어 미국이 주도적으로 개발하고 있다.
WG3은 나노기술의 안전성에 대한 표준화 로 드맵을 수립, 독성 스크리닝 시험방법(Toxi- cological Screening Techniques), 독성평가기 술(Toxicological Assessment Techniques), 직 업적 노출관리(Occupational Exposure Con- trols)를 중점 표준화 대상으로 제안하였으며 최근 작업장에서의 나노물질의 리스크 관리에 대한 가이드라인 개발 및 나노물질의 리스크 평가 프레임웍 제시에 대한 표준화 작업이 시 작되어 나노기술의 개발과 병행한 나노물질의 리스크 관리 프로그램 개발이 요구되고 있다.
2.1.4. ISO/TC 229/WG4 (나노물질의 사양, Specification)
'07년 말 중국에서 제안한 이산화티탄과 탄 산칼슘의 사양 표준화를 제안하여 기 설치된 작업반과 차별성을 고려하여 WG4가 신설되 었으나 다양한 용도에 따른 사양 표준화 작업 이 쉽지 않을 뿐만 아니라 이산화티탄과 탄산 칼슘 소재 자체의 특성을 측정, 평가하는 표준
Table 1. ISO/TC229/WG2의 프로젝트 그룹
JWG2 Measurement & Characterization
Project leader Comments
Project ref. Project title
PG1:
TS 10797
Nanotubes-Use of transmission electron microscopy (TEM) in single wall carbon nanotubes (SWCNTs)
Mikio Suzuki FWD 작성단계
PG2:
TS 10798
Nanotubes-Scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray analysis (EDXA) in the char- acterization of single wall carbon nanotubes (SWCNTs)
EdgarA Leone
PG3:
TS 10868
Nanotubes-Use of UV-Vis-NIR absorption spectroscopy in the characterization of single wall carbon nanotubes (SWCNTs)
Motoo Yumura
PG4:
TS 10867
Nanotubes-Use of NIR-Photoluminescence (NIR-PL) spectroscopy in the characterization of single wall carbon nanotubes (SWCNTs)
Toshiya Okazaki
PG5:
TS 10929
Measurement methods for the characterization of multi wall carbon nanotubes (MWCNTs)
Munekane Fuminori PG6:
TS 11251
Use of evolved gas analysis gas chromatograph mass spectrometry in the characterization of single wall carbon nanotubes (SWCNTs)
Yasushi Suzuki
PG7:
TS 11308
Use of thermogravimetru analysis (TGA) in the purity evaluation of single wall carbon nanotubes (SWCNTs)
Naesung Lee
PG8:
TS 10812
Use of Raman spectroscopy in the characterization of single wall carbon nanotubes (SWCNTs)
Anglea R WD 작성단계
PG9 TS 11888
Determination of mesoscipic shape factors of multi wall carbon nanotubes (MWCNTs)
Heon Sang Lee
PG10 TS 12025
General Framework for determination nanoparticle con- tent in nanomaterials by generation of aerosols
Michael Stintz
ISO/IEC PG
Electrical characterization of carbon nanotuves using 4- probe measurement
Hajin Lee
개발이 선행되어야 하는 필요성으로 인하여 작업이 더디게 진행되고 있다. 현재까지 초안 작성 단계이다.
2.2. 국내 표준화 동향
2004년도 기술표준원 주도로 상용화 지원을 위해 탄소나노튜브 분야 표준화 필요성을 공 감하여 산학연 나노연구 전문가들로 구성된 CNT 표준기술연구회가 조직되었다. CNT 표 준기술연구회는 탄소나노튜브 소재의 순도평 가 방법 표준화를 시작으로 단계적으로 구조 적 특성평가 기술 표준화를 추진하기 위한 로 드맵을 작성하고 2005년 산업기반구축사업으 로 “탄소나노튜브 표준물질 제작 및 특성평가
표준화" 사업을 시작하였다. 현재까지 19번에 걸친 표준기술연구회 운영을 통해 국가표준 도출 및 개발된 국가표준을 ISO/TC 229/
JWG2 제안하여 국제표준으로 개발하는 활동 에 대응하고 있다. 성균관대학교 이영희 교수 를 위원장으로 하여 삼성 SDI, 한화나노테크, 삼성종합기술원, 성균관대학교, 전자부품연구 원, 광주과기원 등에서 15명의 탄소나노튜브 표준기술연구회 전문가가 활동하고 있다.
향후 전자기기산업과 디스플레이산업에 응 용될 에너지저장소자, 고집적메모리, 디스플레 이 광원에 이용될 탄소나노튜브의 수요를 감 안하면 응용제품의 신뢰성 평가를 위한 규격 개발은 IEC/TC 113 (전기전자제품의 나노기
술)에서, 응용제품의 안전성 평가를 위한 규격 개발은 ISO/TC 229 (나노기술)에 적극적으로 표준활동에 대응할 준비가 필요하다. 또한 나 노제품의 상용화 지원을 위한 표준을 개발하 기 위하여, 나노기술 전 분야(나노소재/환경/
에너지/나노바이오/나노소자/나노측정⋅공정
⋅장비)에서 나노산업 현황 및 국내 시장규모 등을 파악하여 나노기술표준화 로드맵 초안을 '07년도 작성한 나노기술표준화 로드맵 초안에 서 CNT BLU와 CNT 투명전극을 중점표준화 대상으로 선정하고 세부 표준화 항목을 선정 하였다. 탄소나노튜브 국내 표준화 활동으로 표준기술력향상사업으로 “탄소나노튜브 순도 표준물질 제작 및 특성평가 표준화 기술 개발”
('06. 6~2009. 8, 성균관대 주관)과제가 진행 중이고 올해 내에 국내에서 사용될 수 있는 탄소나노튜브 표준물질을 개발하여 관련 연구 자에게 시료를 공급하고 검증하는 절차가 진 행 될 것으로 보인다. 이 과제의 결과물로 CNT 직경분포 측정 실험규격(안) 도출 또한 나노기술표준화기반 구축사업의 위탁사업으로 탄소나노튜브의 전기적 특성방법 표준을 개발 하여 국제표준으로 제안, 활동을 하고 있다.
현재까지 탄소나노튜브 관련으로 제정된 국 가규격은 KSD2711 (탄소나노튜브 시료의 회 분 및 비탄소 성분의 함유량 측정 - 열 무게 분석법) KSD2712 (단일층 탄소나노튜브 함유 량 평가 - 흡수분광법) KSD2717 (단일층 탄 소나노튜브 시료의 금속성/반도체성 구성비율 평가 - 흡수분광법) 3종의 국가규격이 제정되 어 있다.
3. 맺음말
탄소나노튜브를 포함한 나노물질의 표준화 는 향후에 진행될 것으로 보이는 각종 환경규 제, 규격, 측정방법, 지적재산권 등 방대한 사 회, 경제적 파급력을 가지고 있기 때문에 전 세계적으로 30여개국 이상이 국제표준화기구
(ISO)의 나노기술위원회(TC229)에 참여하여 적극적인 활동을 보이고 있다. 한국은 국제 표 준화를 주도하는 소수의 선진국과 함께 주도 적인 역할을 수행하고 있으며, 향후 국내산업 의 경제적인 효과를 고려하여 산-학-연-관을 연계한 연구개발 및 표준화 연계 활동이 지속 적으로 이루어져야 할 것으로 보인다.
참 고 문 헌
1. K. H. Oh, Standardization Trends for Carbon Nanotubes, Carbon Lett., 10, 1 (2009).
2. H. S. Lee and C. H. Yun, Translational and Rotational Diffusions of Multiwalled Carbon Nanotubes with Static Bending, J. Phys. Chem. C, 112, 10653 (2008).
3. H. S. Lee, C. H. Yun, H. M. Kim, and C. J. Lee, Persistence Length of Multi- walled Carbon Nanotubes with Static Bending, J. Phys. Chem. C, 111, 18882 (2007).
% 저 자 소 개
이 헌 상
1992 고려대학교 화학공학과 학사 1994 고려대학교 화학공학과 석사 1997 고려대학교 화학공학과 박사 1997∼2000 UC Berkeley, LBNL Post-doc 2000∼2009 LG화학 기술연구원/테크센터
부장
2009∼현재 동아대학교 화학공학과 교수
오 경 희
1984 경북대학교 화학교육과 학사 1986 경북대학교 화학과 석사 1993 포항공과대학교 화학과 박사 2001∼2003 University of
Wisconsin-Madison Post-doc 1993∼현재 지식경제부 기술표준원
공업연구관
