국내 연구진이 웨어러블 기기에 활용할 수 있도록 기존보다 에너지 저장능력이 33배나 향상된 탄소나노튜브 섬유를 개발했다.
한국과학기술연구원(KIST) 전북분원 기능성복합소재연구센터 정현수 박사, 김남동 박사와 탄소융합소재연구센터 김승민 박사 공동연구팀은 에너지를 저장할 수 있는 섬유형 전극 소재를 개발했다고 7일 밝혔다. 이 섬유는 강하고 가벼운 동시에 매우 유연한 특성을 가져 웨어러블 기기의 자유도를 높이고 다양한 형태와 사용 용도에 맞춰 제작할 수도 있다.
탄소나노튜브 섬유는 유연하고 가벼우며, 뛰어난 기계‧전기적 특성을 보유해 웨어러블 디바이스의 기초소재로 기대된다. 하지만 비표면적이 작고 전기화학 활성이 부족해 기존 연구에서는 주로 집전체로만 이용하고, 표면에 활성물질을 코팅하는 방법을 주로 사용했다. 그런데 이런 방법은 추가 물질 및 공정으로 비용이 상승할 뿐만 아니라 장기간 사용하거나 물리적 변형이 발생하면 활성물질이 섬유로부터 분리될 가능성이 높다.
이에 연구팀은 활성물질 없이도 높은 에너지 저장능력을 가진 섬유형 전극 소재를 개발했다. 연구팀은 파우더 형태의 탄소나노튜브를 산처리해 재구성하고 섬유화함으로써 전기화학 활성과 우수한 물리적 특성을 모두 갖춘 탄소나노튜브 섬유를 개발했다.
이 탄소나노튜브 섬유는 기존 탄소나노튜브 섬유 대비 에너지 저장능력이 33배 증가하고, 기계적 강도는 3.3배, 전기 전도도는 1.3배 이상 증가했다. 게다가 순수한 탄소나노튜브 섬유만을 사용해 에너지 저장 전극 소재를 개발했기 때문에 습식방사 기술을 이용한 대량생산이 가능하다.
섬유형 슈퍼 축전기(커패시터)로 제작해 테스트한 결과, 매듭을 지었을 때 100%에 가까운 성능이 유지되고 5000회 구부림 테스트를 거친 후에도 95%의 성능을 유지했다. 또한 일반섬유와 탄소나노튜브 섬유를 직조해 디지털시계의 손목 줄로 제작했을 때도 구부림, 접기, 세척 후 문제없이 작동됐다.
KIST 정현수 박사는 "탄소나노튜브 섬유는 우리가 보유한 원천기술과 선진국과의 기술격차가 크지 않아 경쟁력이 있는 분야"라며 "비정형 에너지 저장 핵심 소재로 응용하기 위한 연구를 지속하겠다"고 말했다. 공동연구자인 김남동 박사는 "슈퍼 커패시터에서 더 나아가 에너지 밀도가 높은 섬유형 배터리로 응용하기 위한 연구를 현재 수행 중"이라고 밝혔다.
이번 연구결과는 재료분야 국제학술지 '어드밴스드 에너지 마테리얼즈'(Advanced Energy Materials) 표지논문으로 게재됐다.
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