에너지 저장능력 33배 높인 탄소나노튜브 섬유 개발

KIST 연구진, 웨어러블 기기 위한 섬유형 전극 소재 개발

한국과학기술연구원(KIST) 전북분원 기능성복합소재연구센터의 정현수, 김남동 책임연구원과 김승민 탄소융합소재연구센터 책임연구원 공동 연구진이 에너지를 저장할 수 있는 섬유형 전극 소재를 개발했다./KIST

국내 연구진이 작고 가벼운 웨어러블 기기에 맞는 섬유형 전극 소재를 개발했다. 에너지를 저장할 수 있으면서도 가볍고 유연해 다양한 형태와 사용 용도에 맞춰 활용할 수 있을 것으로 보인다.

한국과학기술연구원(KIST) 전북분원 기능성복합소재연구센터의 정현수, 김남동책임연구원과 김승민 탄소융합소재연구센터 책임연구원 공동 연구진은 에너지를 저장할 수 있는 섬유형 전극 소재를 개발했다고 7일 밝혔다.

삼성 갤럭시 링, 애플의 비전프로 같은 최신 웨어러블 기기들은 건강관리에서 한 걸음 더 나아가 가상공간에서의 업무수행까지 가능하게 하는 수준에 다다르고 있다. 하지만 작고 가벼워야 하는 웨어러블 기기의 특성상 배터리 용량에 한계가 있어 다양한 기능을 탑재하기는 어렵다. 웨어러블 기기가 상상 속 삶을 더 구현하려면 가벼우면서도 형태에 구애받지 않는 에너지 저장 방식이 필요하다.

연구진은 유연하고 가벼우며, 뛰어난 기계‧전기적 특성을 보유한 탄소나노튜브 섬유를 활용해 높은 에너지 저장능력을 가진 섬유형 전극 소재를 개발했다. 파우더 형태의 탄소나노튜브에 산을 처리해 성질을 바꾼 뒤 섬유 형태로 만든 것이다.

개발한 탄소나노튜브 섬유는 일반 탄소나노튜브 섬유 대비 에너지 저장능력이 33배 높았다. 기계적 강도는 3.3배, 전기 전도도는 1.3배 이상 증가했다. 연구진은 “순수한 탄소나노튜브 섬유만을 사용해 에너지 저장 전극 소재를 개발했기 때문에 섬유고분자를 용매에 녹여 섬유로 만드는 ‘습식방사’로 대량생산이 가능하다”고 설명했다.

실제 섬유형으로 고용량의 에너지를 저장하는 ‘슈퍼 커패시터’를 만들어 시험한 결과, 매듭을 지어도 100%에 가까운 성능이 유지되고 5000번 구부림 테스트를 거친 후에도 95%의 성능을 유지했다. 일반섬유와 탄소나노튜브 섬유를 직조해 디지털시계의 손목 줄로 제작했을 때도 구부림이나 접기, 세척 뒤 잘 작동됐다.

김승민 책임연구원은 “최근 이차전지의 도전재로 활용되며 다시 주목을 받기 시작한 탄소나노튜브가 훨씬 다양한 분야에 활용될 수 있음을 확인했다”고 연구의 의의를 설명했다. 공동연구자인 정현수 책임연구원은 “탄소나노튜브 섬유는 우리가 보유한 원천기술과 선진국과의 기술격차가 크지 않아 경쟁력이 있는 분야”라며 “비정형 에너지 저장 핵심 소재로 응용하기 위한 연구를 지속하겠다”고 밝혔다. 김남동 책임연구원은 “슈퍼 커패시터에서 더 나아가 에너지 밀도가 높은 섬유형 배터리로 응용하기 위한 연구를 현재 수행 중”이라고 전했다.

연구 결과는 재료 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)’에 지난해 12월 표지논문으로 게재됐다.

참고 자료

Advanced Energy Materials(2024), DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202303003

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