구리 전선 대체 고에너지 경량 전선 나왔다

기능성 CNT 용액 및 경량 와이어와 이를 활용해 제작된 에너지 저장 장치인 목걸이형 슈퍼커패시터. 한국전기연구원 제공

국내 연구팀이 기존 합성섬유 공정 기반으로 탄소 신소재를 활용해 에너지 저장 능력이 크고 가벼운 와이어를 구현했다. 전선 재료인 무거운 구리의 사용량을 줄여 전자기기 경량화에 기여하고 향후 전기차·드론의 전선도 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

한국전기연구원(KERI)은 한중탁 나노융합연구센터 책임연구원팀이 기존 합성섬유 공정 방식을 그대로 활용해 단일벽 탄소나노튜브(CNT)를 활용한 고에너지 경량 와이어를 제조하는 데 성공했다고 17일 밝혔다. 연구결과는 1월 23일(현지시간) 국제학술지 'ACS 나노'에 공개됐다.

CNT는 강도가 강철의 100배지만 유연하고 기존 전선 재료인 구리와 전기전도도가 비슷한 신소재다. 평면에 육각형으로 배치된 탄소가 원통형으로 말린 모양이다. CNT를 소량만 첨가해도 에너지 밀도를 크게 높일 수 있지만 CNT끼리 뭉치려는 성질이 매우 강해 뒤엉키기 때문에 실제 전기·전자기기에 적용하는 것이 까다롭다.

연구팀은 먼저 CNT 표면에 유기용매와 친한 '산소 기능기'를 추가했다. 소량의 강산과 첨가제를 넣고 반죽해 저온인 2℃에서 일정 시간 보관하는 방식으로 구현했다. 빵이나 국수를 만들 때 밀가루에 물과 첨가물을 넣고 반죽하면 숙성이 되는 방식을 모방했다. 산소 기능기는 CNT가 엉키지 않고 유기용매에 잘 풀어지도록 하고 에너지 저장 능력을 증가시킨다.

CNT 기반의 '고에너지 경량 기능성 와이어' 제조 공정. 한국전기연구원 제공

연구팀은 CNT 용액에 100나노미터(nm) 크기의 산화 그래핀을 첨가하고 기존 합성섬유 제조 방식과 동일하게 여러 개의 작은 구멍을 통해 CNT 용액을 회전하면서 방사했다. 산화 그래핀은 CNT 용액이 일정하게 퍼지도록 하고 방사 중 노즐이 막히는 현상을 개선했다. 방사된 CNT는 거미줄처럼 하나의 가닥으로 붙어 기능성 와이어로 제조된다.

개발된 CNT 와이어는 한국재료연구원(KIMS), 건국대와의 공동연구를 통해 성능 검증도 거쳤다. 재료연 연구팀은 CNT 와이어를 직물 형태로 제작해 에너지 저장 성능을 확인했다. 이위형 건국대 교수팀은 산소 기능기가 있는 CNT 와이어가 유해가스 유무를 판단하는 센서 성능이 뛰어나다는 것을 확인했다. 소방이나 국방 분야 스마트 의류에 적용될 것으로 기대된다.

한 책임연구원은 "CNT를 유기용매에 분산하고 용액을 방사해 와이어로 만든 세계 최초의 성과"라며 "가볍고 오래 가는 웨어러블 전자기기 산업 발전을 이끌고 전기차나 드론 등 미래 모빌리티 분야에서도 구리 와이어를 대체해 경량성, 에너지 효율성을 크게 높일 수 있을 것"이라고 밝혔다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1021/acsnano.4c14761

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]