CNT 기반 기존 구리 대비 가볍고 성능 높아
웨어러블 넘어 미래 모빌리티 활용 가능성 ↑
국내 연구진이 기존 합성섬유 공정 방식을 그대로 활용해 웨어러블 전자기기의 근간인 '기능성 와이어'를 제조하는 데 성공했다.
한국전기연구원(KERI·원장 김남균)은 나노융합연구센터 한중탁 박사팀이 단일벽 탄소나노튜브(CNT)를 활용해 고에너지 경량 와이어를 개발했다고 17일 밝혔다.
다만 CNT는 응집하려는 성질이 강해 서로 엉킨 구조를 갖고 유기용매 등에 분산이 어려워 전기·전자기기 분야에 적용하는 데 높은 기술력이 요구된다.
한 박사팀은 먼저 CNT 표면에 용매와 친한 '산소 기능기'를 도입하기 위해 소량의 강산과 첨가제를 넣고 반죽해 2℃ 저온에서 일정 시간 보관했다. 밀가루에 물과 첨가물을 섞어주고 반죽을 하면 숙성이 되는 방식을 모방한 것으로 CNT가 저온에서 기능화될 경우 표면 결함 구조가 최소화돼 성능을 극대화할 수 있다.
여기에 100나노미터(㎚) 정도로 크기가 제한된 '산화 그래핀을' 첨가했고 이후 기존 합성섬유 제조 방식과 동일하게 다수 작은 구멍을 통해 CNT 용액을 여러 갈래로 방사했다. 이 과정에서 크기가 조절된 산화 그래핀은 CNT 용액의 분산성을 높이고 방사 중 노즐이 막히는 현상을 크게 줄여주는 역할을 한다.
마지막으로 산소 기능기가 도입된 CNT는 방사 과정을 거친 뒤 상호 수소 결합에 의해 거미줄처럼 하나의 가닥으로 접합돼 기능성 와이어로 제조된다.
만들어진 결과물은 한국재료연구원과 건국대 공동연구를 통해 성능 검증도 거쳤다. 한국재료연구원 김태훈 박사팀은 CNT 와이어를 직물 형태 슈퍼 커패시터로 제작해 성능을 평가한 결과 세계최고 수준의 우수한 에너지 저장 성능을 확인했다.
건국대 이위형 교수 연구팀에서는 산소 기능기를 보유한 CNT 와이어가 유해가스 유무를 판단하는 가스 센서 성능이 뛰어남을 확인했다. 소방대원 화재 진압이나 국방 분야 등 스마트 의류 적용 가능성을 검증한 셈이다.
이번 연구 결과는 우수성을 인정받아 미국 화학회가 발행하는 나노과학 분야 최상위급 SCI 학술지인 'ACS 나노'에 논문이 게재됐다.
한 박사는 “기능화된 CNT를 유기용매에 분산하고 용액 방사해 와이어를 만든 세계 최초 성과로 가볍고 오래 가는 웨어러블 전자기기 산업 발전을 이끌 것”이라며 “꾸준한 연구를 통해 전기차나 드론 등 미래 모빌리티 분야에서도 구리 와이어를 대체해 경량성과 에너지 효율성을 크게 높일 수 있을 전망”이라고 전했다.
창원=노동균 기자 defrost@etnews.com
