재료硏, 다기능성 탄소나노튜브 섬유 기술 개발

탄소나노튜브 섬유를 이용해 에너지 저장이 가능한 다기능성 탄소나노튜브 섬유를 제조하는 과정을 그린 모식도. (자료제공: KIMS)

한국재료연구원(KIMS, 원장 이정환)은 복합재료연구본부 기능복합재료연구실 김태훈 박사 연구팀이 인하대학교(총장 조명우) 양승재 교수 연구팀과 함께 높은 에너지 저장 기능과 고강도 특성을 동시에 가진 다기능성 탄소나노튜브 섬유를 세계 최초로 개발하는 데 성공했다고 지난달 10일 밝혔다.
현재 사용 중인 에너지 저장 및 구조용 소재는 고강도 또는 고에너지 저장 기능 중 한 가지 특성만을 가지고 있는 경우가 대부분이다. 연구팀이 개발한 소재는 가볍고 튼튼하면서도 전기전도도가 우수한 탄소나노튜브 섬유를 이용해, 상기의 두 가지 특성을 동시에 가지고 있다는 점이 특징이다.
연구팀은 탄소나노튜브 섬유에 표면처리를 한 후, 다공성 탄소를 성장시켜 고강도 섬유형 슈퍼커패시터(super capacitor)를 제작했다. 이를 통해 탄소나노튜브 섬유의 강도를 유지하면서 동시에 에너지 저장 특성까지 부여된 새로운 섬유형 소재를 합성할 수 있었다. 개발된 섬유형 슈퍼커패시터는 무거운 무게를 지지하는 중에도 정상적으로 작동하고 있음을 확인했다.
기존의 기술은 배터리와 하중을 지지하는 소재가 개별적으로 존재해야 했지만, 본 연구를 통해 개발된 소재는 두 가지 소재를 하나로 대체할 수 있어, 향후 경량화용 소재 개발에 새로운 방향을 제시했다는 측면에서 그 의미가 크다. 특히, 다기능성 탄소나노튜브 섬유 기술은 경량화가 요구되는 전기자동차, 드론 및 우주·항공 분야에서의 활용이 기대된다.
탄소나노튜브 섬유는 차세대 신소재로 주목받고 있으며, 실제 양산을 통해 제품에 적용하고 있는 기업은 미국에 단 한 곳만 존재하는 실정이다. 본 연구성과를 통해 국산화에 의한 향후 수입 대체 효과는 물론, 해외로의 수출도 가능할 것으로 전망된다.
연구책임자인 재료연 김태훈 선임연구원은 “다기능성 탄소나노튜브 섬유를 활용할 경우, 드론 등 미래 모빌리티의 주행거리 향상에도 많은 도움을 줄 수 있다”라며, “향후 에너지 저장 소재뿐만 아니라, 경량·고강도·고전도성 특성을 필요로 하는 우주·항공·국방 분야에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다”라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아, 한국재료연구원의 ‘에너지 생산 및 저장 소재 융합 특성재단형 직물소재 기술 개발 과제’와 한국과학기술연구원의 개방형 연구사업 ‘4U 복합소재 개발사업’ 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 ‘Science Advances’誌 1월 5일 자에 게재됐다.