OCSiAl 특허로 읽는 SWCNT 분산액 (1/3)

작성일: 2026-10-06 · 작성자: CNT 소재 연구자 · 시리즈: OCSiAl 특허로 읽는 SWCNT 분산액 (1/3)

한 줄 요약 (TL;DR)

질문: 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT) 수분산액은 어떻게 오래 보관해도 가라앉지 않으면서, 코팅할 때는 묽게 흐를 수 있을까?

답: OCSiAl 창업진이 발명자로 오른 미국 특허 US 12,482,825 B1은 물, 겔화제(CMC 등), SWCNT를 함께 분산해 "약한 겔(weak gel)"을 만드는 방법을 제시합니다. 이 분산액은 가만히 두면 점도가 높고, 전단을 주면 급격히 묽어지는 shear thinning(전단 박화) 거동을 보입니다.

핵심 수치는 다음과 같습니다.

• 보관 상태(전단 속도 0.159 s^-1 이하) 점도 20 Pa·s 이상, 공정 상태(18.6 s^-1 이상) 점도 2 Pa·s 미만
• 실시예 1(겔화제와 공동 분산): 유동지수 n 0.14, 0.159 s^-1에서 43 Pa·s
• 비교예 8(겔화제 없음): n 0.62, 같은 조건에서 6.0 Pa·s
• 7일 보관 후 슬러리 상층의 용매 변화: 양극 +2.5% 대 +35%, 음극 +1.1% 대 +27%

이 글은 "OCSiAl 특허로 읽는 SWCNT 분산액" 3부작 중 1편입니다. 출원·등록 정보: PCT 출원 2022-05-20, 미국 등록 2025-11-25, 우선권 RU2021139483(2021-12-29), 출원인 MCD Technologies S.A. R.L.(룩셈부르크).

왜 SWCNT 분산액은 저장 안정성과 저점도를 동시에 얻기 어려울까?

SWCNT는 서로 뭉쳐 긴 다발(bundle)을 이루는 경향이 있습니다. 다발이 길고 굵을수록 전도성에는 유리하지만, 분산액 속에서 더 빨리 가라앉습니다. 분산액이 불안정하면 저장 기간이 짧아지고, 이후 슬러리와 불균일하게 섞여 전지 불량으로 이어질 수 있다고 특허는 설명합니다.

침강을 막는 가장 쉬운 방법은 점도를 올리는 것입니다. 점도가 높으면 응집체의 이동성과 침강 속도가 줄어듭니다. 그러나 너무 높으면 파이프 이송과 코팅이 어려워집니다. 전극 슬러리는 보관 중과 코팅 직후(가장자리가 번지지 않도록)에는 점도가 높아야 하고, 집전체에 발라내는 순간에는 낮아야 하는 모순된 요구를 받습니다.

특허가 지적하는 기존 해법과 한계는 아래와 같습니다.

선행기술	방식	특허가 든 한계
WO 2006/112162	이온성 액체(예: 벤조산) 기반 고점도 겔	침강 없이 장기 보관은 가능하지만 응용 분야가 제한되어 전극 슬러리에 직접 쓰기 어렵다
EP 3333946 (LG Chem)	HNBR 포함, 1 Hz 복소탄성률 20~500 Pa(점도 2~20 Pa·s 범위)	점도를 20 Pa·s 이하로 제한하면 장기 안정성이 불충분하다고 주장
JP 6860740	CMC(Mw 1만~10만, 에테르화도 0.5~0.9) + 복소탄성률×위상각 100~1,500 Pa·°	본 특허가 Prototype(최인접 선행기술)으로 명시하고 이 범위를 벗어나도록 구성

shear thinning과 유동지수 n이란 무엇인가?

shear thinning(전단 박화)은 힘을 가할수록(전단 속도가 빨라질수록) 점도가 낮아지는 유체의 성질입니다. 케첩이나 페인트처럼 가만히 두면 걸쭉하지만 흔들거나 바르면 묽게 흘러내리는 것을 떠올리면 됩니다. CNT 분산액은 이 성질을 보이며 Ostwald–de Waele 멱법칙(power law)으로 잘 기술됩니다.

μ = K · γ̇ⁿ⁻¹

여기서 μ는 점도(Pa·s), γ̇는 전단 속도(s^-1), K는 유동 점성 지수(flow consistency index, Pa·sⁿ), n은 유동지수(flow behavior index)입니다. n이 1이면 물처럼 전단에 따라 점도가 변하지 않는 뉴턴 유체이고, n이 작을수록 전단 박화가 강합니다. 특허 실시예에서는 점도 곡선이 μ = 8.95 γ̇^-0.87로 피팅되면 n−1 = −0.87이므로 n은 0.13이 됩니다.

분산액의 n을 작게 만드는 것이 이 특허의 핵심 목표입니다. 특허는 종속항 2에서 n ≤ 0.37, K ≥ 3.2 Pa·sⁿ를 제시합니다.

샘플	n	해석
물(뉴턴 유체, 참고)	1	점도가 전단 속도에 따라 변하지 않음
비교예 8 (SWCNT만)	0.62	전단 박화가 약함, 침강 발생
실시예 1 (CMC 공동 분산)	0.13~0.14	전단 박화가 매우 강함, 종속항 2 범위 내

실시예 1의 n은 본문과 Fig. 2에서 0.13, Table 1에서 0.14로 다르게 적혀 있어 범위로 표기했습니다.

"약한 겔(weak gel)"이란 무엇이고 어떻게 만들어지나?

약한 겔은 겔화제(예: CMC) 분자가 뭉쳐 만든 작은 겔 입자들을 SWCNT가 물리적으로 이어 만든 느슨한 네트워크입니다. 가만히 있을 때(저전단)는 이 네트워크가 유지되어 점도가 높고, 세게 저으면(고전단) 네트워크가 끊어져 점도가 낮아집니다. 특허가 요구하는 값은 정지 시 20 Pa·s 이상(0.159 s^-1 이하), 공정 시 2 Pa·s 미만(18.6 s^-1 이상)입니다.

등록 청구항 1의 논지는 세 가지입니다. 첫째 SWCNT가 분산액의 0.3~2 wt%, 둘째 SWCNT와 겔화제의 중량비가 0.05~10, 셋째 분산액이 겔화제 입자에 SWCNT가 물리적으로 결합한 약한 겔인 것입니다. 겔화제 후보로는 CMC(염), PVP, PAA(염)이 종속항 4에 적혀 있습니다.

실시예 1의 조성과 공정은 다음과 같습니다.

• 조성: CMC-Na 0.6 wt% + 염소 개질 Tuball SWCNT 0.4 wt% + 물
• SWCNT: 평균 직경 1.54 nm, Raman IG/D 80, BET 1,220 m²/g, 염소 0.25 wt%, 철 0.46 wt%
• 장비: Netzsch Omega 500 고압 호모지나이저(65 MPa, 노즐에서 전단 속도 약 6×10⁵ s^-1, 단계당 투입 에너지 27 W·h/kg)
• 순서: 고압 분산 10회, 각 통과 사이 50 L 탱크에서 약 1 s^-1로 10분 휴지

이처럼 "고전단 분산(D)과 휴지(R)의 교대"는 명세서에 적힌 공정의 핵심입니다. 분산 단계는 전단 속도 10,000 s^-1 이상(또는 초음파 20 kHz 이상)이고, 휴지 단계는 10 s^-1 미만에서 1분 이상입니다. D는 최소 3회, R은 최소 2회(D-R-D-R-D)가 기본이고 5회 이상이 바람직합니다. 이 공정은 러시아 등록 특허(RU 2777040 C1)의 청구항 17에는 있지만 미국 등록 청구항에는 없습니다(미국은 명세서에만 기재).

CNT 품질 기준도 상당히 구체적입니다. Raman G/D(532 nm)가 10 이상(종속항 7)이고 40, 60, 80 이상으로 갈수록 바람직하며, 촉매 금속 불순물은 1 wt% 미만(종속항 9), 표면 기능기는 0.1 wt% 이상(종속항 5)이 결합을 강화한다고 설명합니다.

공동 분산 효과는 수치로 어떤가? (실시예 1 대 비교예 8)

실시예 1과 비교예 8의 핵심 차이는 "CMC를 SWCNT와 함께 분산했는가"입니다. 비교예 8은 CMC를 빼고 같은 공정으로 만들고, CMC는 슬러리 단계에서 따로 넣었습니다(음극 1.12 g 대 1.125 g, 양극 1 g 대 0.925 g로 총량이 거의 같음). 실시예 4는 SWCNT에 DWCNT를 섞은 경우입니다.

항목	실시예 1 (CMC 공동 분산)	실시예 4 (SWCNT+DWCNT)	비교예 8 (겔화제 없음)
분산액 K (Pa·sn) / n	9.0 / 0.14	4.9 / 0.19	3.0 / 0.62
분산액 G′ (Pa)	912	176	103
분산액 점도 @0.159 s-1 (Pa·s)	43	22	6.0
분산액 점도 @18.6 s-1 (Pa·s)	0.72	0.46	1.0
양극 슬러리 K / n	21 / 0.26	18.0 / 0.29	9.3 / 0.46
음극 슬러리 K / n	11.6 / 0.17	11.0 / 0.20	6.9 / 0.41
양극 슬러리 7일 보관, 상층 용매 변화	+2.5%	+3.5%	+35%
음극 슬러리 7일 보관, 상층 용매 변화	+1.1%	+2.1%	+27%

표의 수치는 특허 Table 1·2와 Example 1·4·8 본문을 정리한 것이고, "상층 용매 변화"는 (7일 후 상층 − 초기) ÷ 초기로 계산했습니다. 예를 들어 실시예 1 양극은 물 함량이 40.0 wt%에서 41.0 wt%로, 비교예 8은 40.0 wt%에서 54.1 wt%로 바뀝니다.

수치에서 읽히는 세 가지가 있습니다.

• 공동 분산이 저전단 점도는 크게 올리고 고전단 점도는 낮춘다. 실시예 1은 0.159 s^-1에서 43 Pa·s로 비교예 8(6.0 Pa·s)의 약 7.2배이고, 18.6 s^-1에서는 0.72 Pa·s로 비교예 8(1.0 Pa·s)보다 낮습니다.
• 차이는 슬러리 안정성으로 이어진다. 비교예 8의 양극 슬러리는 7일 뒤 약 6 mm 두께의 탁한 상층액이 생겼고 고품질 코팅이 불가능했습니다. 음극 슬러리도 8 mm 상층액이 생겼습니다.
• 겔화제가 있으면 분산액의 차이가 슬러리에서 줄어든다. 실시예 4는 분산액 G′가 실시예 1의 약 1/5인데도 슬러리 안정성은 실시예 1과 비슷했습니다. 다만 실시예 4는 DWCNT 혼합, 분산 횟수(10회에서 32회), 염소 개질 유무가 동시에 바뀌어 원인을 하나로 단정할 수 없습니다.

이 특허를 읽을 때 주의할 점은?

특허 실시예는 논문처럼 통제된 데이터가 아니므로, 분명히 읽히는 것과 아직 단정할 수 없는 것을 구분해야 합니다.

• 원문 내부의 불일치. 실시예 1의 n은 본문에서 0.13, Table 1에서 0.14입니다. 실시예 3의 18.6 s^-1 점도는 본문 0.53 Pa·s(Table 1 0.52)인데 K=19, n=0.23으로 멱법칙을 계산하면 약 2.0 Pa·s가 나와, 청구항의 경계값(2 Pa·s)과 직결되는 차이가 있습니다.
• 위상각 δ 증가 주장이 실시예로 일관되지 않음. 원문은 겔화제와 CNT의 시너지가 G″와 δ를 높인다고 하지만, 실시예 6의 δ는 6.5°이고 비교예 8(10.5°)이 실시예 2·4(9.0°)보다 높습니다.
• 비교예 설계. 선행기술 JP 6860740의 청구 범위(G*×δ 100~1,500 Pa·°)에 실시예 1~7은 모두 벗어나고 비교예 8만 들어갑니다. 차별화를 실험 데이터로 설계한 것으로 보이나, 이는 제 해석입니다.
• 사이클 데이터 비교 불가. 실시예마다 양극·음극 활물질, 전해액 첨가제(VC, FEC), 로딩, C-rate가 달라 순위를 매길 수 없습니다. 실시예 1은 LFP/흑연+Si 풀셀에서 1 C, 3,000 사이클 후 90% 이상, 실시예 3은 LCO/SiOx에서 215 사이클 후 85% 이상이지만, 같은 저울에 올릴 수 없습니다.
• 표본 수가 적음. 실시예 7개와 비교예 1개라 K와 G′의 상관(Spearman ρ 0.93)도 경향 수준입니다.
• 청구범위 차이. 초록은 SWCNT 및/또는 DWCNT를 말하지만 등록 청구항 1은 SWCNT 기준이고, 제조방법·슬러리·전극은 미국 등록 청구항에 없습니다(러시아 RU 2777040 C1은 42항에 포함). 청구범위는 3편에서 더 자세히 다룹니다.

이 글은 공개된 특허 문헌을 기술적으로 읽은 기록이며 침해·회피·무효에 대한 법률 의견이 아닙니다. 일본·한국 패밀리의 현재 상태는 다루지 않았습니다.

자주 묻는 질문 (FAQ)

SWCNT 분산액이 가라앉는 이유는 무엇인가?

SWCNT가 긴 다발로 응집하고, 다발이 길고 굵을수록 침강 속도가 빨라지기 때문입니다. 분산액의 점도가 낮으면 응집체가 더 쉽게 움직여 침강이 더 빨리 일어납니다.

유동지수 n은 작을수록 좋은가?

n이 작을수록 전단 박화가 강해 저전단 점도와 고전단 점도의 차가 커집니다. 이 특허는 n ≤ 0.37(더 바람직하게 ≤ 0.30, ≤ 0.2)을 선호하지만, 값만으로 좋고 나쁨을 판단할 수는 없고 K와 실제 슬러리 공정 조건을 함께 봐야 합니다.

약한 겔과 일반적인 강한 겔의 차이는?

약한 겔은 물리적 결합으로 이루어져 전단을 주면 끊어지고 휴지하면 다시 연결되는 네트워크입니다. 이 특허의 공정에서 휴지(R) 단계가 그 재연결을 맡는 것으로 해석됩니다(이 해석은 명세서 서술에 근거한 정리이며 별도 실험 검증은 없습니다).

CMC와 다른 겔화제도 쓸 수 있나?

등록 청구항 4는 CMC(염), PVP, PAA(염) 또는 이들의 혼합물을 적습니다. 명세서에는 PVDF와 HNBR도 예시로 나옵니다. 실시예는 CMC-Na, CMC-Li, PVP, PAA-Na를 사용했습니다.

이 특허는 MWCNT 분산액에도 적용되나?

청구항 문언상 SWCNT(청구항 1) 또는 직경 4 nm 이하의 SWCNT·DWCNT(청구항 11)를 다룹니다. 4 nm를 넘는 CNT는 문언상 범위 밖으로 읽히는데, 실제 저촉 여부는 법률 전문가가 판단할 일입니다.

용어 정리

용어	뜻
SWCNT / DWCNT	단일벽 / 이중벽 탄소나노튜브 (Single-/Double-Walled Carbon Nanotube)
Tuball	OCSiAl의 SWCNT 제품 브랜드. 모든 실시예가 Tuball 계열 SWCNT를 사용
shear thinning (전단 박화)	전단 속도가 빨라질수록 점도가 낮아지는 성질
유동지수 n (flow behavior index)	power law의 지수. 1이면 뉴턴 유체, 작을수록 전단 박화 강함
K (flow consistency index, Pa·sn)	저전단에서의 점성 정도를 나타내는 계수
G′ / G″	저장 탄성률 / 손실 탄성률. 1 Hz, 변형 1% 진동 전단에서 측정
약한 겔 (weak gel)	겔화제 입자를 CNT가 물리적으로 이은 느슨한 네트워크
HPH	고압 호모지나이저(High-Pressure Homogenizer), 실시예에서 60–65 MPa
Raman IG/D	532 nm Raman의 G밴드/D밴드 강도비. SWCNT 결정성 지표

참고 자료

• US 12,482,825 B1 — Google Patents (2025-11-25 공보, 출원인 MCD Technologies SARL, 발명자 Predtechenskiy, Khasin, Bobrenok, Kosolapov)
• RU 2777040 C1 — Google Patents (러시아 등록, 42항)
• 인용 선행기술: WO 2006/112162 A1, EP 3333946, JP 6860740 (특허 명세서에 인용된 것을 정리했으며 원문은 별도 확인 필요)
• 작성 기준일 2026-10-06