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  • 기사등록 2022-01-10 10:31:24
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▲ 한국재료연구원 김태훈 박사 연구팀이 인하대학교 양승재 교수 연구팀과 높은 에너지 저장 기능과 고강도 특성을 동시에 가진 다기능성 탄소나노튜브 섬유를 세계 최초로 개발했다. 한국재료연구원 김태훈 선임연구원(좌)과 천재영 선임연구원(우)



[기계신문] 에너지 저장장치인 기존의 리튬이차전지는 그 자체로는 기계적인 부하를 견딜 수 있는 특성이 없다. 반면에 철, 알루미늄과 같은 구조소재는 튼튼하여 구조소재로 사용 가능하지만 에너지를 저장할 수 있는 특성은 당연하게도 없다.


에너지 저장 특성을 가지면서 구조적으로 우수한 특성을 동시에 가질 수 있다면, 차량 및 드론 등의 외피로 적용시켜 기존의 배터리를 제거함으로써 경량화가 가능해지고 이동거리를 증가시킬 수 있다.


이를 구현하기 위해서는 가볍고 기계적 강도가 우수하며 전기전도성이 좋아 배터리 소재로 사용이 가능한 새로운 소재가 요구된다. 이에 해당하는 유일한 소재가 바로 탄소나노튜브 섬유다.


한국재료연구원(KIMS) 복합재료연구본부 기능복합재료연구실 김태훈 박사 연구팀이 인하대학교 양승재 교수 연구팀과 공동으로 높은 에너지 저장 기능과 고강도 특성을 동시에 가진 다기능성 탄소나노튜브 섬유를 세계 최초로 개발했다.



▲ 탄소나노튜브 섬유를 이용해 에너지 저장이 가능한 다기능성 탄소나노튜브 섬유를 제조하는 과정을 그린 모식도



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, 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.



▲ 제조된 섬유형 슈퍼커패시터에 10㎏의 하중을 가하면서 전구를 동작시키는 모습



기존의 기술은 배터리와 하중을 지지하는 소재가 개별적으로 존재해야 했지만, 이번 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. 이번 연구성과를 통해 국산화에 의한 향후 수입 대체 효과는 물론, 해외로의 수출도 가능할 것으로 전망된다.



▲ 이번 연구에서 개발된 섬유형 슈퍼 커패시터(●)와 다른 섬유형 슈퍼 커패시터(●, ▲)와의 에너지 저장 특성 및 강도 특성 비교



재료연구원 김태훈 선임연구원은 “다기능성 탄소나노튜브 섬유를 활용할 경우, 드론 등 미래 모빌리티의 주행거리 향상에도 많은 도움을 줄 수 있다”며 “향후 에너지 저장 소재 뿐만 아니라, 경량·고강도·고전도성 특성을 필요로 하는 우주·항공·국방 분야에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.


연구팀은 이번 연구결과를 방탄소재, 초경량 복합소재 등에 활용하는 후속 연구와 CNT섬유의 대량생산 및 전자파 차폐용 CNT섬유 개발 등을 함께 진행 중이다.


또한 탄소나노튜브 섬유의 생산성 향상 연구를 통해 수년 내 양산 적용이 가능한 수준으로 기술을 향상시켜, 신소재의 국산화 및 자립화를 통해 소재 강국으로 발돋움하는 데 이바지할 계획이다.



▲ 사이언스 어드밴시스(Science Advances) 1월 5일자 온라인 피처 사진



한편, 이번 연구성과는 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 수행됐으며, 연구결과는 국제학술지 사이언스(Science)의 자매지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 1월 5일자 게재됐다.


기계신문, 기계산업 뉴스채널

한음표 기자 hup@mtnews.net

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