대표적 고가 경량화소재인 CFRP 의 경우 전세계적인 전방산업을 살펴보면 항공, 우주, 방산이 절반을 차지하고 있음을 알 수 있다. CFRP의 최대기업이 항공산업이 발달된 나라에 집중된 것이 바로 여기에 연유한다. 자동차도 럭셔리, 고성능 차량 위주라 한국에선 수요가 제한적일 수밖에 없었다. 하지만 UAM 비즈니스를 본격화 하기 위해선 본격적으로 소재산업의 경쟁력 강화를 위해 투자가 진행되어야 한다

미국 교통부(The Department of Transportation, DOT) 산하에 있는 연방항공청(Federal Aviation Administration, FAA)은 미국 내 공역 이용에 대한 결정 권한을 쥐고 있는 조직이다. 이 연방항공청이 대내외적으로 UAM 시장에서 글로벌 리더 자리를 선점하겠다는 의지를 표명하고 있다. 무인비행체를 관제하는 시스템인 UAS(Unmanned Aerial System) 기술 개발에 적극적이지 않았던 미국은 상업용 드론 시장의 주도권을 일찍이 DJI 로 대표되는 중국에게 넘겨주게 되었고, 현재까지도 그 격차를 좁히고 있지 못하고 있다. 따라서 최근 연방항공청의 행보는 UAM 시장만큼은 어떻게든 미국에서 태동할 수 있게끔 하여 국제 표준 제정의 주도권을 쥐겠다는 의지로 해석된다

우선 양극재용 CNT 도전재의 역할에 대해 알아보자. CNT 도전재 사용시의 가장 큰 장점은 기존 도전재에 비해 전자 이동도가 높아 적은 양으로도 동일 성능을 구현할 수 있어 체적 에너지 밀도(Volumetric energy density)가 향상된다는 것이다(<그림42>참조). CNT 도전재를 양극재에 적용할 경우 기존 도전재인 카본블랙 대비 사용량을 1/5 수준으로 줄일 수 있다. 또한 고가의 바인더 사용량도 줄일 수 있다. 특히 기존 리튬 배터리의 화학적 물성 변화를 크게 일으키지 않아 손쉽게 적용할 수 있다. 따라서 동일 부피 내에서 도전재, 바인더 사용량을 줄이고 NCM, NCA와 같은 양극활물질을 더 많이 투입할 수 있기 때문에 배터리 에너지 밀도를 높일 수 있으며 생산 원가 절감에 도움을 준다. 

CNT가 물성을 충분히 발휘하기 위해서 우선 확보되어야 하는 것은 균일한 분산 기술이다. 일반적으로 CNT는 미세분말 상태라서 그 자체로는 사용되기 어렵다. 따라서 우수한 특성들을 효과적으로 발현시키기 위해서는 반드시 용액에 물리적으로 분산시키거나 다른 소재와 복합체로 만들어 사용해야 한다. 다만 CNT는 대부분의 용매에서 응집되는 성질이 있어 그 자체로는 분산이 용이하지 않기 때문에 분성성을 높이기 위해 계면활성제, 고분자 등을 통해 표면개질 후 NMP(N-Methylpyrrolidone)와 같은 유기 용매 등에 분산시킬 수 있는 것으로 알려졌다. 

* CNT 분산은 주로 계면활성제를 사용한다. 가격 경쟁력이 있고 기계적 믹싱, 초음파처리 등 간단한 공정을 적용할 수 있기 때문이다

* CNT 파우더 제조사가 분산액 제조사에 넘기면, 분산액 제조사는 최종 고개사인 셀사가 요구하는 농도, 특성을 반영해 도포에 용이한 슬러리 형태로 제조, 공급한다.

<그림 27>에서 보는 바와 같이 리튬 배터리는 양극(+)과 음극(-)간 리튬이온의 이동을 통해 화학에너지를 변환해 전기에너지를 만들어내는 장치이다. 리튬 배터리를 이루는 4대 구성요소는 양극, 음극, 분리막, 전해액로 구분된다. 양극은 리튬(Li)과 산소(O)가 만난 리튬 산화물(Li+O)로 구성되어 있다. 충전 시에는 양극을 이루는 물질 중에서 리튬이온만 빠져 나와서 음극으로 이동한다. 양극재는 리튬 배터리에서 배터리의 용량과 평균 전압을 결정한다.

반면 음극재는 양극재에서 만들어진 리튬이온을 저장, 보관되는 환원 반응을 보였다가 방전시 리튬이 리튬이온으로 산화되어 빠져나오면서 (Deintercalation) 외부 회로를 통해 전류를 흐르게 한다. 방전시에는 리튬이온이 원래 있던 양극으로 돌아가면서 이 때 전기가 발생하게 되는 것이다. 음극은 주로 흑연으로 만들어진다. 흑연은 마치 종이가 겹쳐 있는 것과 같은 층상 구조를 이루고 있다. 양극에서 빠져 나온 리튬이온들이 이러한 층상구조 사이에 저장되게 된다.

배터리의 양극과 음극 사이에는 분리막이 있다. 분리막은 미세한 구멍이 있어 리튬이온이 양극과 음극을 오갈 수 있게 한다. 하지만 폭발 방지를 위해 양극과 음극의 물리적 접촉은 막는 격리막 역할도 동시에 하게 된다. 마지막으로 전해액은 양극과 음극간의 이온 이동을 가능케 하는 중간 매개체로 리튬이온의 원활한 이동을 돕는 역할을 한다. 

현재 대부분의 전기차용 리튬 배터리는 ① 용량과 평균 전압을 결정하는 양극활물질로 NCM, NCA 등을, ② 리튬이온을 저장하고 전류를 흐르게 하는 음극활물질로 흑연을, ③ 양극과 음극 사이 리튬이온 이동 매개체인 전해질로 LiPF6, LiBF4, LiClO4 등의 리튬염을 Propylene Carbonate, Ethylene carbonate 등의 유기 용매에 용해하여 사용한다 

첨가제 종류는 크게 3가지로 구분할 수 있다. 

첫 번째로는 음극재에서 에너지 용량을 높일 수 있는 실리콘 음극활물질이다. 기존 흑연 소재에 실리콘 음극활물질을 5~10wt%로 첨가할 경우 음극재의 에너지 밀도 향상, 충전 속도 단축 등의 효과를 기대할 수 있다. 

두 번째로는 CNT 도전재이다. CNT 도전재는 양극재와 음극재에서의 역할이 서로 다르다. 양극재에서는 기존 도전재인 카본블랙을 대신해 CNT를 사용시 전자이동도가 높아 도전재 사용량을 1/5 수준으로 줄일 수 있다. 따라서 동일 부피 내에서 도전재 사용량을 줄이고 양극활물질을 더 많이 투입할 수 있어 에너지 밀도를 높일 수 있다. 음극재에서는 실리콘 음극활물질과 연관성이 높다. 실리콘 음극활물질은 기존 흑연 소재에 비해 부피 팽창이 크기 때문에 많은 문제가 발생할 수 있다. 이 때 CNT 도전재가 실리콘 음극재의 팽창을 잡아주는 보완재로서 사용된다. 

세 번째로는 전해질 및 전해액 첨가제이다. LiPF6와 함께 일반적으로 같이 사용되는 전해질은 LiFSI 및 LiPO2F2이며, LiPF6와 병행해서 사용되었을 시 배터리 수명 향상 및 저온 성능 개선의 효과를 기대해 볼 수 있다. 

수소차 원가의 약 20%를 차지하는 수소연료 탱크에서는 탄소섬유가 가장 중요한 소재이다. 수소연료 탱크 생산비 구성을 보면 탄소섬유가 약75%를 차지하고 있어 저가의 수소탱크 제작을 위해서는 탄소섬유 생산기술 보유가 필수적이다. 탄소섬유를 사용하는 이유는 수소와 같이 가볍고 불안정한 원소는 저장용기가 강하면서 동시에 높은 탄성도 필요하기 때문이다. 즉, 높은 강도와 높은 탄성을 동시에 가지고 있는 소재를 사용하면 외부의 충격을 받더라도 폭발하지 않고 살짝 찢어지면서 수소가스를 공기 중으로 날려보낼 수 있다. 탄소섬유는 강도와 탄성 물성, 그리고 2차 가공 기술에 따라서 수소충전소용과 수소차 연료탱크용이 다르기 때문에 이를 파악해야 수소차에 들어가는 기업을 알아낼 수 있다. 

수소차 원가에서 큰 비중을 차지하고 있는 부분은 연료전지 스택, 수소공급 시스템 중 수소연료 탱크이다. 연료전지 스택은 수소차 구성요소 중 원가 비중 약40%이다. 연료전지 스택에서 중요한 소재는 막전극접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly) 안 백금촉매와 멤브레인막(불소계, 탄화수소계), 그리고 가스확산층 (GDL)에 들어가는 탄소섬유이다. 수소연료 탱크는 수소차 원가 중 약15~20%의 비중을 차지하는 부품이다. 수소연료 탱크의 경우, 생산비의 약 75%가 탄소섬유라고 보면 된다. 

막전극접합체(MEA) 속 메인 소재 – 백금촉매, 멤브레인막, 탄소섬유 

수소차 원가의 약40%를 차지하는 수소 연료전지 스택은 막전극접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly), 가스확산층(GDL, Gas Diffusion Layer), 분리판(Bipolar Plate), 가스켓(Gasket), 인클로저 등으로 구성되어 있다. 수소연료전지차도 기본적으로 전기차 이기 때문에 전기모터가 엔진 대신 사용된다. 따라서 이를 구동하는데 필요한 전기에너지 확보를 위해서 다수의 셀을 직렬으로 연결하는데 이를 스택이라고 한다. 한 개의 셀이 생산하는 전기가 약0.7V 정도 이기 때문에 1Kw 전기 생산을 위해서는 50여개의 셀이 필요하다고 보면 된다