한국탄소산업진흥원, 이산화탄소 활용한 단일벽 탄소나노튜브 생산 기술 개발

한국탄소산업진흥원은 실용화본부 김동영 박사 연구팀이 이산화탄소(CO2)를 활용해 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT) 생산을 위한 원천기술 개발에 성공했다고 19일 밝혔다. 이번 기술은 단일벽 탄소나노튜브의 생산에서 경제성과 기능성을 모두 갖추는 중요한 성과를 이룬 것으로 평가된다.

단일벽 탄소나노튜브는 우수한 전기적 특성과 기계적 강도를 가진 차세대 첨단소재로, 이차전지 도전재뿐만 아니라 우주·항공·방산 분야 등 다양한 산업에서 활용될 수 있는 잠재력을 가진다. 기존의 다중벽 탄소나노튜브에 비해 전기 전도성과 내구성이 우수해 국내 주요 산업에 널리 적용될 수 있는 소재로 주목받고 있다.

한국탄소산업진흥원 김동영 (왼쪽 뒷줄)박사 연구팀이 이산화탄소를 단일벽 탄소나노튜브로 전환하는 설비 앞에서 연구 성과물을 들어 보이고 있다.한국탄소산업진흥원 제공

그러나 단일벽 탄소나노튜브는 고가의 탄화수소를 원료로 사용하는 기존 생산 방식에서 높은 원가와 기술적 장벽이 존재했다. 이에 한국탄소산업진흥원은 2023년부터 이산화탄소 포집·활용(CCU) 기술을 통해 탄소 소재 기술 자립화를 목표로 연구를 진행했고, 이번에 이산화탄소와 수소만을 원료로 단일벽 탄소나노튜브를 합성할 수 있는 기술을 개발했다.

연구팀은 독자적으로 개발한 유동층 화학기상증착법(FBCVD)을 활용해 이산화탄소로부터 메탄을 효율적으로 전환하고, 이를 바탕으로 고품질의 단일벽 탄소나노튜브를 생산하는 데 성공했다. 세라믹 비즈상의 니켈 담지 촉매를 이용해 이산화탄소를 고효율 메탄으로 변환하고, 이를 또 다른 유동층 반응기에서 철 및 코발트 기반의 나노촉매로 처리해 높은 수율의 단일벽 탄소나노튜브를 얻었다.

이산화탄소로부터 전환된 단일벽 탄소나노튜브는 1~2㎚(나노미터)의 직경과 높은 결정성을 가지며, 기존의 탄화수소 원료를 사용한 제품과 동등한 물성을 보인다. 또한, 연구팀은 촉매 설계 최적화를 통해 탄소나노튜브의 벽 수와 직경을 정밀하게 제어할 수 있는 기술적 기반도 확보했다. 이번 연구 결과는 이미 국내 특허 3건을 출원했으며, 올해 상반기 내 국제특허(PCT) 출원을 진행할 예정이다.

김동영 박사는 “고가의 탄화수소 원료 대신 이산화탄소를 활용해 경제성과 기능성을 모두 갖춘 단일벽 탄소나노튜브 생산 공정을 확보했다”며 “향후 대량 생산을 위한 공정 기술 개발에 박차를 가할 계획”이라고 밝혔다.

박규순 한국탄소산업진흥원 실용화본부장은 “이번 연구가 국내 산업계에서 요구되는 탄소중립 이행을 위한 이산화탄소 자원화의 새로운 방향을 제시할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

전주=김동욱 기자 kdw7636@segye.com