이산화탄소, 이차전지 핵심인 '고품질 탄소' 소재로 전환

이산화탄소를 고품질 나노탄소로 전환하는 공정 기술을 개발한 한국생산기술연구원 연구팀. 뒷줄 왼쪽부터 시계 방향으로 양정훈 탄소경량소재그룹 선임연구원, 김정필 수석연구원, 오은채 학생연구원, 김정아 학생연구원, 장재원 학생연구원. 생기연 제공

국내 연구팀이 이산화탄소(CO2)를 고품질 나노 탄소소재로 전환하는 공정을 개발했다. 탄소 소재는 이차전지 핵심 소재 등으로 활용될 것으로 기대된다.

한국생산기술연구원은 김정필 탄소경량소재그룹 수석연구원, 양정훈 선임연구원 연구팀이 이산화탄소를 고품질 나노탄소로 전환하는 기술을 개발했다고 16일 밝혔다. 나노탄소는 탄소(C) 원자가 나노미터(nm, 10억분의 1m) 크기 구조로 배열된 소재다. 연구결과는 10월 국제학술지 'ACS 어플라이드 머티리얼즈 & 인터페이시스'와 11월 국제학술지 '에너지 & 퓨얼스'에 공개됐다.

기후변화의 주범으로 지목되는 이산화탄소를 산업용 소재로 변환하는 과정에는 많은 에너지와 수소가 필요하다. 공정 비용은 비싼데 이산화탄소 전환으로 생산할 수 있는 소재는 아직 저가 소재에 머물러 경제성이 떨어진다는 점이 해결 과제로 지목된다.

연구팀은 이산화탄소를 전환해 만들 수 있는 소재 중에서도 가장 경제성이 높은 소재인 '단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)'에 주목했다. SWCNT는 탄소 원자가 육각형 모양으로 배열된 단일층인 그래핀(graphene)이 원통 모양으로 말린 형태다. 1kg에 수백만 원이 넘어갈 정도로 비싸지만 반도체나 이차전지의 핵심 소재로 쓰이며 최근 수요가 급증하고 있다.

이산화탄소 전환 공정을 통해 생산된 고품질 나노탄소. 생기연 제공

연구팀은 탄소 소재 성장을 방해하는 산소(O)를 빼내기 위해 이산화탄소를 수소와 반응시켜 메탄(CH4)을 생성했다. 이후 메탄을 열분해하는 방식으로 고품질 나노탄소를 제조하는 데 성공했다. 

이산화탄소를 메탄으로 전환하고 메탄을 열분해해 탄소나노튜브를 제조하는 공정은 기존에도 있었지만 반응기 내의 가스 조성을 분석하고 탄소나노튜브의 정밀한 구조까지 규명한 것은 처음이다.

연구팀은 개발한 공정으로 SWCNT를 비롯한 다양한 나노탄소를 만드는 기술을 확보하고 탄소 소재를 이차전지 핵심 소재로 활용하는 후속 연구를 진행 중이다. 탄소나노튜브에 있는 그래핀 층수에 따라 이차전지에 미치는 영향을 분석하는 등 탄소 소재와 이차전지 특성 사이의 연관성을 밝혀냈다.

김 수석연구원은 "탄소나노튜브 구조를 규명해 이차전지의 핵심 소재인 고품질 나노탄소로 전환할 수 있는 공정기술을 확보했다"며 "이산화탄소를 줄이면서 동시에 부가가치를 창출할 수 있는 후속 연구를 추진할 계획"이라고 밝혔다.

양 선임연구원은 "이산화탄소를 이차전지의 핵심 소재인 고품질 나노탄소로 전환하는 기술은 해외에서도 사례가 없는 차세대 기술"이라며 "온실가스가 배출되는 산업 현장에 적용하기 위한 실증연구를 준비하고 있다"고 전했다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1021/acsami.4c09721
- doi.org/10.1021/acs.energyfuels.4c04096

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]