생기원, CO₂ 고품질 나노탄소 전환 공정기술 '세계 최초' 개발

이산화탄소 전환 공정으로 생산한 고품질 나노탄소.

한국생산기술연구원(원장 이상목)은 이산화탄소(CO₂)를 고품질 나노탄소로 전환하는 공정을 세계 최초로 개발하고, 이차전지 핵심 소재로 활용하는 후속 연구를 진행 중이라고 16일 밝혔다.

생기원 탄소경량소재그룹의 김정필 수석연구원, 양정훈 선임연구원팀이 이룬 성과다.

CO₂를 산업용 소재로 전환하려면 많은 양의 에너지와 촉매, 특히 수소가 필요하다. CO₂ 전환으로 생산 가능한 소재는 현재까지 저가 소재에 머물러 있다.

연구팀은 CO₂로 전환할 수 있는 소재 가운데 가장 경제성 높은 소재인 '단일벽 탄소나노튜브(SWCNTS)'에 주목했다. 단일벽 탄소나노튜브는 한 겹의 그래핀 시트가 원통형으로 말린 형태 소재로 그래핀, 풀러렌과 함께 대표적인 나노탄소 소재로 꼽힌다. 1㎏ 당 수백만 원이 넘는 가격에도 불구하고 반도체 및 이차전지 핵심 소재로 사용되며 최근 수요가 급증하는 추세다.

연구팀은 우선 CO₂에서 탄소 성장을 방해하는 산소(O)를 빼내기 위해 수소(H₂)와 반응시키고, 이를 통해 생성된 메탄(CH₄)을 열분해하는 방식으로 고품질 나노탄소 제조에 성공했다.

열화학촉매 반응기를 활용해 CO₂를 메탄으로 전환하는 공정이나 메탄을 열분해 시켜 탄소나노튜브를 제조하는 공정은 기존에도 사용돼 왔지만, 반응기 내 가스 조성을 분석해 탄소나노튜브 정밀 구조를 규명한 것은 최초다.

연구팀은 개발 공정을 활용해 SWCNTS 뿐 아니라 나노미터 단위 탄소 원자가 배열된 다양한 구조의 나노탄소로 전환하는 기술을 확보했다. 이어 나노탄소 소재를 이차전지에 적용하기 위해 탄소나노튜브의 벽과 그래핀 층의 숫자에 따른 비표면적 변화를 계산하고, 이 변화가 이차전지 적용 시 전해질과 맞닿는 계면 형성에 어떤 영향을 미치는지 분석했다.

김정필 수석연구원은 “나노탄소 소재 상용화를 통해 CO₂를 줄이면서, 동시에 부가가치를 창출하는 후속 연구를 추진할 계획”이라고 밝혔다.

정훈 선임연구원은 “다양한 형태의 온실가스가 배출되는 산업 현장에 적용하기 위한 실증연구를 준비하고 있다”고 말했다.

이번 성과는 과학기술정보통신부 개인기초연구사업 지원을 받아 창출됐으며, 지난 10월 ACS 어플라이드 머터리얼즈&인터페이시즈, 11월 에너지&퓨얼즈에 실렸다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com