웨어러블 슈퍼캐패시터 실증 / 사진. 한국과학기술연구원
한국과학기술연구원(이하 KIST)은 지난 4월 8일(월) 전북분원 기능성복합소재연구센터 정현수 박사, 김남동 박사 및 탐소융합소재연구센터 김승민 박사 공동 연구팀이 에너지를 저장할 수 있는 섬유형 전극 소재 개발에 성공했다고 밝혔다. 해당 섬유는 강하고 가벼운 동시에 매우 유연한 특성을 가지고 있어 웨어러블 로봇 폭팩터의 자유도를 높이고 다양한 형태와 사용 용도에 따른 맞춤형 제작이 가능할 것으로 전망된다.
최근 최신 웨어러블 로봇을 포함한 헬스케어 기기들은 건강관리 기능에서 더욱 진보해 가상공간에서의 업무수행까지 가능하게 하는 수준에 다다르고 있다. 하지만 작고 가벼워야 하는 해당 기기의 특성상 배터리 용얄이 제한될 수밖에 없어 여전히 다양한 기능을 탑재하기에는 분명한 기술적인 한계가 존재했다.
이러한 한계점 돌파를 위해 탄소나노튜브 섬유는 유연하고 가벼우며, 뛰어난 기계‧전기적 특성을 보유해 웨어러블 디바이스 기초소재로 그 역할에 대한 기대가 있어왔다. 하지만 비표면적이 작고 전기화학 활성이 부족해 기존 연구에서는 주로 집전체로만 이용하고, 표면에 활성물질을 코팅하는 방법을 주로 사용했다. 그런데 이러한 접근법은 추가 물질 및 공정으로 비용이 상승하여 비경제적일 뿐만 아니라, 장기간 사용하거나 물리적 변형이 발생하면 활성물질이 섬유로부터 분리될 가능성이 높다.
기능화된 탄소나노트브의 물성과 전기화학 활성도 / 사진. 한국과학기술연구원
KIST 연구팀은 이와 같은 문제를 해결하기 위해 활성물질 없이도 높은 에너지 저장능력을 가진 섬유형 전극 소재를 개발했다. 연구팀은 파우더 형태의 탄소나노튜브를 산처리해 개질하고 섬유화함으로써 전기화학 활성과 우수한 물리적 특성을 모두 갖춘 탄소나노튜브 섬유를 개발했다.
개질된 탄소나노튜브 섬유는 일반 탄소나노튜브 섬유 대비 에너지 저장능력이 33배 증가하고, 기계적 강도는 3.3배, 전기 전도도는 1.3배 이상 증가했다. 게다가 순수한 탄소나노튜브 섬유만을 사용해 에너지 저장 전극 소재를 개발했기 때문에 습식방사 기술을 이용한 대량생산이 가능하다.
섬유형 슈퍼 커패시터로 제작해 테스트한 결과, 매듭을 지었을 때 100%에 가까운 성능이 유지되고 5,000번 구부림 테스트를 거친 후에도 95%의 성능을 유지했다. 또한 일반섬유와 탄소나노튜브 섬유를 직조해 디지털시계의 손목 줄로 제작했을 때도 구부림, 접기, 세척 후 잘 작동됐다.
KIST 김승민 박사는 “최근 이차전지의 도전재로 활용되며 다시 주목을 받기 시작한 탄소나노튜브가 훨씬 다양한 분야에 활용될 수 있음을 확인했다”라고 연구의 의의를 설명했다.
본 연구의 공동연구자인 정현수 박사는 “탄소나노튜브 섬유는 우리가 보유한 원천기술과 선진국과의 기술격차가 크지 않아 경쟁력이 있는 분야”라며, “비정형 에너지 저장 핵심 소재로 응용하기 위한 연구를 지속하겠다”라고 전했다.
또 다른 공동연구자인 정현수 박사는 “탄소나노튜브 섬유는 우리가 보유한 원천기술과 선진국과의 기술격차가 크지 않아 경쟁력이 있는 분야”라며, “비정형 에너지 저장 핵심 소재로 응용하기 위한 연구를 지속하겠다”고 밝혔다. 또 다른 공동연구자인 김남동 박사는 “슈퍼 커패시터에서 더 나아가 에너지 밀도가 높은 섬유형 배터리로 응용하기 위한 연구를 현재 수행 중”이라고 언급했다.
한편, 본 연구는 KIST 주요사업 (ORP, K-DARPA)과 과학기술정보통신부의 지역선도연구센터사업, 산업통상자원부의 소재부품산업핵심기술개발 사업과 현대자동차의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 재료분야 국제 학술지 ‘Advanced Energy Materials’에 표지논문으로 게재됐다.
