키스트가 개발한 에너지 저장능력 33배 높인 탄소나노튜브 섬유는 저비용으로 대량생산 가능

2024년 4월 한국과학기술원 KIST가 기존 제품보다 에너지 저장 능력을 33배 높이고 강도까지 높인 웨어러블 기기용 탄소나노튜브 섬유를 개발했다. 습식방사 기술을 적용할 수 있어서 생산비용이 낮고 대량생산에 유리하다. 

에너지 저장 가능하고 웨어러블 기기에 사용되는 탄소나노튜브 섬유

한국이 보유한 탄소나노튜브 섬유 원천 기술은 선진국과 기술격차가 크지 않아 경쟁력 있는 분야다. 인류가 개발한 신소재 중에 가장 강도가 높아서 철강보다 수십 배 강도가 높고 전기와 열 전도율은 구리와 다이아몬드와 동일하다. 가볍기는 알루미늄의 절반이다.
 
 탄소나노튜브(CNT)는 탄소만으로 이뤄진 탄소 동소체이고 튜브(원통형) 형태의 육각형 벌집모양의 미세한 나노 구조다. 나노미터는 10억 분의 1로 머리카락의 10만 분의 1 굵기에 해당한다. 원통형 관의 지름이 수십 나노미터에 불과해서 나노튜브라고 부른다. 
 
탄소나노튜브는 1991년 일본 NEC부설 연구소가 처음 개발했다. 전기차 리튬이온 배터리, 반도체, 자동차 부품, 항공기 동체, 웨어러블 스마트 기기, 골프채, 하키 스틱 등 폭넓게 쓰인다. 방탄복, 입는 로봇, 스마트 워치의 손목줄 등 적용 범위가 넓다. 
 
 한국과학기술원의 광전하이브리드센터 연구팀(김희숙 박사)은 2019년 9월 탄소나노튜브 섬유로 체온을 에너지로 바꿔 스마트 기기에 전원을 공급하는 기술도 개발한 바 있다. 

기존 탄소나노튜브 단점과 극복

탄소나노튜브 섬유는 구겨도 빠르게 복원되고 가벼우면서도 기계적•전기적 특성이 뛰어나다. 그럼에도 기존 연구에서는 탄소나노튜브를 전자 통로 역할을 하는 집전체로만 쓰거나 활성물질을 표면에 코팅해서 이용했다. 질량당 면적이 작고 전기화학 활성이 부족한 단점이 있어서다. 
 
 탄소나노튜브 표면에 활성물질을 코팅하면 추가적인 공정이라 비용이 늘어나고 장기간 쓰거나 물리적 충격을 받으면 활성물질이 분리되는 문제가 발생한다. 
 
 이러한 단점들을 키스트의 공동 연구팀이 해결했다고 2024년 4월 9일 발표했다. 연구결과는 2024년 2월 9일 국제학술지 어드밴스트 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)에 표지 논문으로 실렸다. 

키스트의  효율높은 탄소나노튜브 섬유는 대량생산 가능

키스트의 전북분원 기능성 복합소재연구센터 정현수와 김남동 책임연구원과 탄소융합소재연구센터 김승민 연구원이 공동으로 에너지 저장량과 강도를 높이면서도 생산비용을 낮춘 탄소나노튜브 섬유 전극 소재를 개발했다. 
 

탄소나노튜브. industrynews.co.kr

 
 연구팀은 파우더 형태의 탄소나노튜브를 섬유화해서 전기화학 활성과 물리적 특성을 높인 새로운 탄소나노튜브를 개발했다. 연구팀은 새 탄소나노튜브를 섬유형 축전지로 제작해 시험했다.
 
 시험 결과, 매듭을 묶어도 100% 가까운 성능을 유지했고, 5천 번 구부려도 95% 성능을 유지했다. 즉, 일반 탄소나노튜브 섬유보다 에너지 저장능력은 33배 높고, 기계적 강도는 3.3배, 전기 전도도는 1.3배 늘었다. 
 
 키스트의 이 새로운 탄소나노튜브는 코팅물질 없이 순수 탄소나노튜브만으로 구성된다. 그래서 섬유 고분자를 용매에 녹여 방출해 섬유를 만드는 습식방사 기술을 적용할 수 있어서 대량생산에 유리하다. 
 
 연구팀은 탄소나노튜브를 비정형 에너지 저장 핵심 소재로 응용하기 위해 연구를 지속하겠다는 포부를 밝혔다. 
 
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맺음말

2024년 4월 한국과학기술원 KIST가 기존 제품보다 에너지 저장 능력을 33배 높이고 강도까지 높인 웨어러블 기기용 탄소나노튜브 섬유를 개발했다. 습식방사 기술을 적용할 수 있어서 생산비용이 낮고 대량생산에 유리하다.