February 23,2019

탄소나노튜브 신소재 곧 나온다

항공기 전기저장 방탄복 등에 활용

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탄소 나노 튜브는 전기 전도성이 좋고, 열 전달 능력이 매우 우수하다는 장점을 가지고 있어 이상적인 반도체 재료로 주목받고 있다. ⓒ Arnero via Wikipedia

탄소 나노 튜브는 전기 전도성이 좋고, 열 전달 능력이 매우 우수하다는 장점을 가지고 있어 이상적인 반도체 재료로 주목받고 있다. ⓒ Arnero via Wikipedia

지난 4월 브라이언 와들(Brian L. Wardle) MIT 조교수를 비롯한 연구팀은 탄소 나노 튜브로 만든 필름 제조에 성공했다는 내용을 발표했다. 이 발표가 주목받은 이유는 바로 이 필름이 항공기 동체 등 복합재료를 제작하는데 필요한 대면적 사이즈 오븐을 대체할 수 있기 때문이다. (원문링크)

일반적으로 항공기 동체에 사용되는 복합재료는 산업용 오븐에서 섭씨 약 400도(℃)까지 가열되면서 단단하게 굳는다. 이 방법의 단점은 최종적으로 재료가 만들어질 때까지 오븐을 가열하는데 상당한 에너지가 든다는 점이다. 연구팀이 개발한 필름은 바로 이 단점을 메워줄 수 있다.

연구팀은 일단 탄소 나노 튜브 필름을 제조한 뒤, 이 필름을 복합재료 위에 두고 필름에 전극을 연결하였다. 이후, 필름과 복합재료층 안 아래쪽에 있는 고분자 양쪽에 열을 가하기 위해 전류를 걸었다. 이 과정에서 복잡재료층을 고체화하거나, 복합재료층을 서로 연결하는데 필요한 에너지를 측정하였다. 그 결과, 기존에 대형 산업용 오븐을 사용하는 것보다 100분의 1 정도의 전기만 필요하다는 사실이 밝혀졌다.

연구팀은 이번 연구에서 탄소 나노 튜브가 가지고 있는 전기 전달 능력과 열 전달 능력을 적극 이용했다고 볼 수 있다. 그야 말로 ‘이상적인’ 재료로서 산업에도 큰 도움이 될 수 있음을 알 수 있다. 적은 에너지로 같은 결과물을 낼 수 있다는 것은 중소형 기업이 거대한 투자 없이도 관련 부품을 제조할 수 있다는 것을 의미한다. 결국 복합재료 부분에 있어 혁신을 가져올 수 있으며, 복합재료 자체의 성능과 사용에도 큰 향상이 있을 것으로 보인다.

탄소나노튜브와 그래핀 구조 속에 전기 대량 저장

국내 연구진도 탄소 나노 튜브과 그래핀을 이용하여 전기를 대량 저장할 수 있는 초고용량 전기 저장장치인 슈퍼커패시터(Supercapacitor)를 개발하는데 성공했다. 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단은 지난 2월 학술지 ACS 나노(ACS nano)를 통해 이런 연구결과를 발표했다. (원문링크)

이 연구의 핵심은 차세대 전자소자 소재로 주목받고 있는 탄소 나노 튜브와 그래핀을 다층구조로 만들어 전기를 대량 저장할 수 있도록 했다는 점이다. 빌딩 형태의 3차원 탄소 나노 튜브·그래핀 구조를 만들어 높은 에너지 밀도를 가지면서도 고출력을 유지한다는 점이 특징이다.

수용액 속에서 탄소 나노 튜브 주위에 양이온 계면활성제를 흡착시킨 뒤, 그래핀 구조가 들어 있는 산화흑연을 반응시키는 것이다. 그래서 그래핀 층 사이에 탄소 나노 튜브가 수직·수평으로 끼어들어 간 3차원 빌딩구조를 만들었다.

이 빌딩 구조에 있는 그래핀 사이에 탄소 나노 튜브가 수직으로 배열되어 있어 이온이 출입할 수 있는 공간이 많다. 또한 이온을 흡착할 수 있는 표면적이 넓어 전기 저장 용량이 크게 증가하게 된 것이다.

홍합 접착물질로 탄소나노튜브 획기적으로 개선하기도

지난 6일에는 탄소 나노 튜브의 기계적, 전기적 특성을 획기적으로 개선하여 상용화를 앞당길 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발되기도 했다. 이해신 한국과학기술원(KAIST) 교수팀은 홍합이 분비하는 접착물질 성분을 이용하였다. (원문링크)

이해신 교수는 “그동안 홍합물질은 의료용 접착제, 배터리 바인더 고분자 등으로 사용해왔는데, 이번 연구는 지난 2011년 먼저 발표한 연구의 연장선상에 있다”고 밝혔다. 이미 이 교수는 홍합접착물질을 사용하면 기계적 성질을 획기적으로 높일 수 있다는 연구를 발표한 바 있다. 당시 연구는 기계적물성은 세계 최고기록으로 올렸으나, 중요한 전도성이 떨어졌었는데, 이번에는 그 부분도 획기적으로 함께 올릴 수 있었다는 설명이다.

이번 연구의 핵심에 대해 “보통 접착제에는 전도성이 없는데, 홍합모사 접착제를 열처리를 해주면 전도성이 있는 접착제가 된다는 것”이라고 설명했다. 즉, 전기가 통하는 홍합모사 접착제가 된다는 것이다. 연구팀은 탄소 나노 튜브를 실 형태로 뽑으면 전기적, 기계적 물성이 현저히 떨어지는 부분도 보완했다.

이해신 교수는 앞으로 탄소 나노 튜브의 활용 범위에 대해서도 “전도성 강철섬유는 기능성 의복의 원천소재가 되며, 방탄복처럼 강도가 좋으면서 태양광, 배터리등과도 연결할 수 있을 것으로 보인다”고 설명했다. 이 교수의 말처럼 탄소 나노 튜브는 활용 범위가 넓기 때문에 다양한 산업에서 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 보인다.

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