5000번 구부려도 끄떡없다… 웨어러블 소재 혁신

KIST가 개발한 탄소나노튜브 섬유를 축전지에 적용해 구부림과 매듭 실험을 진행하는 모습. KIST 제공

한국과학기술연구원은 강하고 가벼우면서 유연한 특성을 지녀 옷처럼 인체에 편하게 착용할 수 있는 '탄소나노튜브 섬유'을 개발했다. 사진은 기술이 적용된 모습의 상상도. KIST 제공

매듭이나 구부림에도 웨어러블 기기 성능에 영향을 주지 않고, 에너지 저장 능력이 33배 향상된 섬유형 전극 소재가 개발됐다. 배터리 용량 제한을 극복하고 보다 가벼우면서 다양한 형태에 구애받지 않아 웨어러블 기기에 최적화된 소재로 쓸 수 있을 전망이다.

한국과학기술연구원(KIST)은 정현수·김남동·김승민 박사 연구팀이 강하고 가벼우면서 유연한 특성을 가져 웨어러블 기기에 적용할 수 있는 '탄소나노튜브 섬유'를 개발했다고 7일 밝혔다.

탄소나노튜브 섬유는 유연하고 가벼우며 뛰어난 기계·전기적 특성으로 웨어러블 기기의 기초 소재로 쓰인다. 하지만 비표면적이 작고 전기화학 활성이 부족해 주로 집전체(전도성 소재)로만 활용되고 활성물질을 표면에 코팅하는 방식으로 썼다. 이 과정에 추가 물질과 공정을 거쳐야 하기 때문에 비용이 상승해 비경제적이고, 장기간 사용하거나 물리적 변형이 발생하면 활성물질이 섬유에서 분리될 가능성이 높다.

연구팀은 파우더 형태의 탄소나노튜브를 섬유화해 전기화학 활성과 물리적 특성을 높인 새로운 탄소나노튜브 섬유를 개발했다. 이 탄소나노튜브 섬유는 일반 탄소나노튜브 섬유보다 에너지 저장 능력이 33배 높고, 기계적 강도는 3.3배, 전기 전도도는 1.3배 늘었다. 순수 탄소나노튜브만 사용해 에너지 저장 전극 소재를 만들어 습식방사기술을 적용한 대량 생산도 가능하다. 연구팀은 탄소나노튜브 섬유를 섬유형 슈퍼 캐패시터(축전지)로 제작해 시험한 결과, 매듭을 지었을 때 100% 가까운 성능을 유지했고, 5000번 구부려도 95%의 성능을 유지했다. 또 일반섬유와 탄소나노튜브 섬유를 직조해 디지털시계의 손목줄로 제작했을 때도 구부림과 접기, 세척 후에도 작동이 잘 됐다고 연구팀은 설명했다.정현수 KIST 박사는 "섬유형 전극 소재는 매듭이나 구부림에도 성능을 유지해 일상 생활에서 웨어러블 기기를 보다 실용적이고 편리하게 만드는 데 기여할 것"이라며 "대량 생산도 가능해 웨어러블 기기의 생산 비용을 줄일 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

이 연구결과는 재료분야 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머터리얼즈' 표지 논문에 실렸다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr