- KIST, 우주 방사선에 포함된 중성자 차폐 섬유 개발 - BNNT(질화붕소나노튜브) 활용, 항공·우주·국방용 핵심 소재로 응용 기대 작년 누리호 발사 성공 및 최근 새롭게 출범한 우주항공청 등으로 우주에 대한 관심이 높아진 가운데 공공분야뿐 아니라 민간에서도 우주 여행 등의 우주 관련 산업에 대한 관심과 투자가 적극적으로 이뤄지고 있다. 다만, 실제로 우주 여행을 하는 경우 현실적으로 우주 방사선에 노출되는 것은 피할 수 없다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 기능성복합소재연구센터 김대윤 박사 연구팀은 우주 방사선에 포함된 중성자를 효과적으로 막을 수 있는 새로운 복합 섬유를 개발했다고 밝혔다. 우주 방사선 속 중성자는 생명 활동에 부정적인 영향을 미치고, 전자기기들의 오작동을 유발하여 장기적인 우주 임무 수행에 큰 위협이 된다. 연구팀은 1차원 나노물질인 질화붕소나노튜브(BNNT, boron nitride nanotube)와 아라미드 고분자 간의 상호작용을 조절해 섞이기 어려운 두 물질을 완벽히 혼합할 수 있는 기술을 개발했다. 이렇게 안정화된 혼합 용액을 기반으로 최대 500 ℃에서 타지 않으면서 가볍고 유연한 연속 섬유를 제작했다. BNNT는 기존에 활용되던 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)와 유사한 구조를 가지나 격자 구조 내 다수의 붕소를 포함하고 있어 중성자 흡수력이 탄소나노튜브에 비해 약 20만 배 정도 높다. 따라서, 개발된 BNNT 복합 섬유를 원하는 모양과 크기의 직물로 만들게 되면 그 자체로 방사선 중성자 투과를 효과적으로 차단할 수 있는 좋은 소재로 적용할 수 있다. 즉, BNNT 복합 섬유를 우리가 일상적으로 착용하는 의복 형태로 적용하면 방사선에 쉽게 노출될 수 있는 승무원, 의료계 종사자, 발전소 근로자 등을 효과적으로 보호할 수 있다. 또한, 세라믹 성질을 지닌 BNNT의 특징으로 내열성도 뛰어나기 때문에 극한 환경에서도 사용될 수 있다. 따라서, 우주용뿐만 아니라 국방·소방용으로도 활용이 가능하다. KIST 김대윤 박사는 “이번에 개발한 기능성 섬유를 우리가 일상적으로 착용하는 의복 형태로 적용하면, 중성자 노출에 대한 최소한의 안전 장치를 손쉽게 마련할 수 있다”라며, “우리나라가 우주 및 국방 분야에서 매우 빠르게 발전하고 있는 만큼 큰 시너지를 낼 것으로 판단된다”라고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST K-Lab 사업과 중견연구자지원사업(2021R1A2C2009423), 산업통상자원부(장관 안덕근) 고성능탄소나노복합섬유개발사업(RS202300258591), 국방부(장관 신원식) 국방특화연구실사업(DAPAKRITCT21014)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지인 「Advanced Fiber Materials」 (IF 17.2, JCR 분야 1.7%) 최신호에 게재됐다. * (논문명) Spacesuit Textile from Extreme Fabric Materials: Aromatic Amide Polymer and Boron Nitride Nanotube Composite Fiber for Neutron Shielding and Thermal Management [그림 1] 우주 방사선 차폐용 BNNT 복합 기능성 섬유 개발 [그림 2] BNNT 복합 연속 섬유 개발

- 웨어러블 기기에 최적화된 비정형 에너지 저장장치 기초 섬유 기술 개발 - 활성물질 추가 공정 불필요, 습식방사로 대량생산 가능 삼성 갤럭시 링과 애플의 비전프로 같은 최신 웨어러블 기기들은 건강관리에서 한 걸음 더 나아가 가상공간에서의 업무수행까지 가능하게 하는 수준에 다다르고 있다. 그런데 작고 가벼워야 하는 웨어러블 기기의 특성상 배터리 용량이 제한될 수밖에 없어 여전히 다양한 기능을 탑재하기에는 기술적 한계가 있다. 웨어러블 기기가 상상 속 삶을 완벽히 구현하려면 더 가벼우면서 형태에 구애받지 않는 비정형 에너지 저장방식의 개발이 필요하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록)은 전북분원 기능성복합소재연구센터 정현수 박사, 김남동 박사와 탄소융합소재연구센터 김승민 박사 공동 연구팀이 에너지를 저장할 수 있는 섬유형 전극 소재를 개발했다고 밝혔다. 이 섬유는 강하고 가벼운 동시에 매우 유연한 특성을 가져 웨어러블 기기 폼팩터의 자유도를 높이고, 다양한 형태와 사용 용도에 맞춰 제작할 수도 있다. 탄소나노튜브 섬유는 유연하고 가벼우며, 뛰어난 기계‧전기적 특성을 보유해 웨어러블 디바이스의 기초소재로 기대된다. 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. 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”고 연구의 의의를 설명했다. 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 밝혔다. 본 연구는 KIST 주요사업 (ORP, K-DARPA)과 과학기술정보통신부 (장관 이종호)의 지역선도연구센터사업 (2019R1A5A8080326), 산업통상자원부 (장관 안덕근)의 소재부품산업핵심기술개발 사업 (20017548)과 현대자동차의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 재료분야 국제 학술지 ‘Advanced Energy Materials’ (IF 27.8, JCR 2.8%)에 표지논문 (Front Cover)으로 게재됐다. * 논문명 Active Material-Free Continuous Carbon Nanotube Fibers with Unprecedented Enhancement of Physicochemical Properties for Fiber-Type Solid-State Supercapacitors [그림 1] 기능화된 탄소나노트브의 물성과 전기화학 활성도 위 그림은 기능화된 탄소나노튜브의 원섬유 대비 기계적, 전기전도도 물성 향상 비교를 나타내며 활물질 없이 표면이 깨끗함에도 불구하고 전기화학 활성도가 33배 증가함을 나타낸다. [그림 2] 웨어러블 슈퍼캐패시터 실증 위 그림은 탄소나노튜브 섬유를 섬유형 슈퍼캐패시터 (FSSCs)로 제작하여 에너지 저장 능력과 웨어러블 특성들을 시중에서 구입한 디지털 시계로 실증한 것들이다.

- 초임계 상태 물만으로 수십 분 내에 99% 친환경 재활용 가능 - 폐 재활용섬유를 E-모빌리티 배터리 전극재로 업사이클링 까지 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)은 금속보다 가볍고 강도가 높아 항공, 우주, 자동차, 선박, 스포츠용품 등 다양한 산업 분야에서 사용되고 있다. 최근에는 에어 모빌리티와 같은 신산업에도 적용되면서 사용량이 증가해 폐기물 처리 문제가 드러나고 있다. 그런데 CFRP는 자연분해가 되지 않으며, 고온 소각방식은 독성물질을 배출해 환경오염을 초래하기 때문에 재활용 기술 개발이 시급하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록)은 RAMP융합연구단 정용채 단장 연구팀이 일정 수준 이상의 온도와 압력 조건에서 발현되는 초임계 상태의 물을 이용해 수십 분 내에 CFRP 소재를 99% 이상 재활용하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 초임계 상태의 물은 높은 극성, 확산성, 그리고 밀도를 가져 CFRP에 함침된 에폭시만을 선택적으로 제거함으로써 재활용된 탄소섬유를 얻을 수 있다. 연구팀은 별도의 촉매제, 산화제, 유기용매등을 사용하지 않고 물만을 이용해 고효율의 재활용 시스템을 완성했다. 또한 글라이신(Glycine)을 초임계 상태의 물에 첨가하면 CFRP를 질소 원자가 도핑된 재활용 탄소섬유로 업사이클링할 수 있다는 사실도 알아냈다. 이렇게 업사이클링된 탄소섬유는 기존 재활용 탄소섬유보다 우수한 전기적 전도성을 가진다. 수십 분 내에 단일 재활용 공정만으로 CFRP의 재활용과 업사이클링을 동시에 처리해 재활용 섬유의 구조와 물성을 제어한 사례는 이번 연구성과가 처음이다. 지금까지는 재활용된 CFRP 섬유의 성질이 불균일하다는 제약으로 인해 그 활용처가 주로 복합소재의 충진제에 국한됐다. 이와 비교해 연구팀이 만들어 낸 업사이클링 탄소섬유는 E-모빌리티 배터리의 전극재로 적용했을 때 코인셀 평가에서 흑연 대비 동등 혹은 그 이상의 성능을 나타냈다. KIST 정용채 단장은 “전 세계적으로 탄소복합소재(CFRP)의 폐기물량이 증가하고 있는 상황에서 이를 친환경적으로 업사이클링하는 기술을 개발했다”면서, “탄소배출량을 획기적으로 저감시키는 것은 물론 E-모빌리티의 배터리 전극재로 전환하는 자원 선순환 구조까지 제시한 의미있는 연구성과”라고 연구의 의의를 설명했다. 이번 성과는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 KIST 융합연구단사업 (CRC23011-000)과 나노 및 소재기술개발사업 (2021M3H4A1A0304129)으로 수행되었으며, 연구결과는 국제학술지 카본 (CARBON) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Simultaneous recycling and nitrogen doping in carbon fiber reinforced plastic using eco-friendly supercritical water treatment for Li-ion batteries anode application - (공동제 1저자) 한국과학기술연구원 김영남 연구원 - (공동제 1저자) 한국과학기술연구원 이윤기 연구원 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 정용채 책임연구원 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 이성호 책임연구원 [그림 1] 탄소복합소재를 물로 재활용한 전/후실사진 이미지 (CFRP:원소재(재활용 전), N-CF: 질소도핑된 탄소섬유 (재활용 후)) [그림 2] 업사이클링 재활용 탄소섬유의 배터리 용량 평가결과 (P-CF:원소재, R-CF:재활용 탄소섬유, N-CF: 질소도핑 재활용 탄소섬유)

- 원소 황을 사용하여 원적외선 영역 투명성이 향상된 고분자 합성 - 안정한 열적 특성과 향상된 광학 특성을 보여 고가의 적외선 광학 부품을 대체 가능성 확인 이산화황(SO2)은 석유 정제과정에서 발생하는 물질로 스모그와 산성비를 유발하기 때문에 수소(H2)와 반응시켜 수산화황(H2S)로 변환하는 수소화탈황 공정이 필수적이다. 수산화황은 이산화황과 비교할 때 환경에 미치는 영향이 적고 추가 공정을 거치면 수소를 분리해 재사용할 수도 있다. 그런데 황은 아직 마땅한 활용 방법을 찾지 못해 막대한 양을 산업 폐기물로 땅에 묻거나 블록 형태로 지상에 쌓아두고 있어 이에 관한 연구가 필요하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 전북분원 복합소재기술연구소 탄소융합소재연구센터 유남호 박사 연구팀이 원적외선 영역에서 사용할 수 있는 황(S8) 고분자 소재(S-BTT 고분자) 투과 재료를 개발해 그간 골칫거리였던 황을 유용하게 사용할 수 있는 길을 열었다고 밝혔다. 적외선 열 화상은 빛이 없는 조건에서 물체가 방출하는 적외선 복사열을 측정해 이를 시각화하는 기술로, 갈수록 늘어나는 CCTV는 물론 자율주행차용 센서 등 다양한 산업군에서 수요가 늘 것으로 전망된다. 적외선 투과 렌즈는 적외선을 효과적으로 투과시키고, 높은 굴절률을 가지며, 적외선과 상호작용하지 않는 비활성 특성을 가져야 한다. 또한 온도 변화나 노후화 등에 대한 안정성도 가져야 한다. 일반적으로 높은 투과성과 비활성 특성이 있는 저마늄(Ge)이나 황화아연(ZnS)과 같은 무기 재료가 적외선 투과 재료로 사용되었으나 가공이 어려워 제조 비용이 많이 들고, 독성이 있다는 단점을 갖고 있었다. 최근에는 황의 높은 굴절률과 적외선 영역에서 비활성 특성을 적외선 광학 분야에 응용한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 하지만 황을 활용한 고분자 재료는 역가황(Inverse vulcanization) 반응에 사용되는 유기 가교제의 화학 결합으로 인해 적외선 영역을 흡수하는 현상이 있다. 기존 연구들은 적외선 투과율과 굴절률, 열적 특성 간에 상충관계가 나타나 기존의 무기 재료를 대체하기는 어려웠다. KIST 유남호 박사 연구팀은 기존 연구가 가교제의 대칭성과 적외선 투과성의 상관관계를 탐색하지 않았다는 점에 주목하여, 대칭구조로 비교적 단순한 적외선 흡수를 나타내는 유기 가교제를 사용했다. 이렇게 개발한 황 기반의 고분자 소재는 안정적인 열적 특성을 유지하면서도 굴절률이 향상(n>1.9)되었고, 동시에 중적외선에서 원적외선 영역에 이르는 우수한 적외선 투과율(기존 보고된 적외선 투과성 황 고분자의 6배)을 나타냈다. 특히, 기존의 고분자 소재로는 달성하기 어려웠던 원적외선 영역 투명성도 확보했다. 개발된 고분자를 실제 적외선 광학 부품과 유사한 형태의 두께 1 mm 윈도우(평평한 판)로 가공하여 원적외선 열 화상 실험에 사용한 결과, 기존의 적외선 투과 재료인 저마늄 윈도우와 유사한 수준의 고품질의 이미지를 얻을 수 있었다. KIST 유남호 박사는 “본 연구에서 개발된 소재는 우수한 적외선 투과율을 갖고 있어서 의료, 보안, 소방, 안전 분야와 같이 인체를 대상으로 하는 생활 밀착형 분야에 적용할 수 있을 것”이라며, “향후 고가의 적외선 광학 재료를 대체할 수 있는 소재로 널리 사용될 것으로 기대한다.”고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원으로 KIST 주요 사업과 산업통상자원부(장관 이창양) 소재부품기술개발사업으로 수행되었으며, 연구 성과는 국제 학술지 「Nature communications」 (IF: 17.694, JCR(%): 7.53) 최신 호에 온라인 게재되었다. [그림 1] 원소 황을 이용한 고분자 합성 모식도 [그림 2] 다양한 황 함량의 S-BTT 고분자로 제조된 윈도우의 적외선 스펙트럼(두께 약 1mm) [그림 3] PMMA, Ge, S-BTT 윈도우의 적외선 스펙트럼 두께(약 1mm) [그림 4] PMMA, Ge 윈도우 및 다양한 황 함량의 S-BTT 고분자로 제조된 윈도우 (두께 약 1 mm) a. 디지털 이미지, b. 중적외선 열 화상 이미지 및 c. 원적외선 열 화상 이미지 [그림 5] PMMA 및 S-BTT 고분자로 제조된 윈도우의 사람 손가락 타겟 원적외선 이미징 (두께 약 1 mm) ○ 논문명: Long-wave infrared transparent sulfur polymers enabled by symmetric thiol cross-linker ○ 학술지: Nature Communications (IF: 17.694) ○ 게재일: 2023.05.19. 온라인 게재 ○ DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-38398-5 ○ 논문저자 - 이미연 박사 후 연구원(제1저자/KIST 탄소융합소재연구단), - 유남호 책임연구원(교신저자/KIST 탄소융합소재연구단)

- 도심형 항공 모빌리티(UAM) 등에 적용 가능한 100% 자기강화복합재료 개발 - 기존 연구성과 대비 접착강도, 인장강도 및 충격 저항성 대폭 향상 도심형 항공 모빌리티(UAM)와 같은 미래 이동수단이 현실화되기 위해서는 연료 효율성은 높이면서 탄소 배출을 줄여야 하는데, 이를 위해서는 우수한 물성을 띠면서 재활용도 가능한 새로운 소재 개발이 반드시 필요하다. 자기강화복합재료(self-reinforced composite, SRC)는 가격이 저렴하고, 경량성이 뛰어날 뿐만 아니라 강화재와 기지재가 동일한 성분으로 구성되어 폐기 및 재활용 측면에서 이점이 있다. 이 때문에 항공기 등에 사용되는 탄소섬유강화복합재료(carbon fiber-reinforced composite)를 대체할 차세대 복합재료로 주목받고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 전자파솔루션융합연구단 김재우 박사가 한양대학교(총장 이기정) 김성훈 교수, 전북대학교(총장 양오봉) 김성륜 교수와 함께 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 고분자 한 종류만을 사용한 100% 자기강화복합재료를 개발하는데 성공했다고 밝혔다. 지금까지는 자기강화복합재료의 제조공정에서 유동성 및 함침성을 향상시키기 위해 강화재 혹은 기지재에 화학적으로 다른 성분을 혼합해왔기 때문에 물성과 재활용 가능성 모두 떨어지는 문제가 있었다. 공동연구팀은 4축 압출 공정을 통해 폴리프로필렌 매트릭스의 사슬 구조를 조절하여 용융점, 유동성 및 함침성을 제어하는데 성공했다. 개발된 자기강화복합재료는 접착강도, 인장강도 및 충격 저항성이 기존 연구결과 대비 각각 333%, 228%, 2700% 향상된 최고 수준의 기계적 물성을 달성했다. 소형 드론의 프레임 소재로 해당 재료를 적용했을 때 기존 탄소섬유강화복합재료 대비 52% 가볍고, 비행시간은 27% 증가해 차세대 모빌리티 적용 가능성을 확인했다. 한양대학교 장지운 박사 후 과정 연구원(공동 제1저자)은 “연구에 도움을 주신 모든 분들에게 감사드리며, 앞으로도 대한민국의 차세대 모빌리티 전반에 기여할 수 있는 연구를 수행하길 희망한다”고 밝혔으며, 김성훈 지도교수(공동 교신저자)는 “전북대, 한국과학기술연구원, 남전산업과 현대자동차와 함께 교류하여 값진 연구 성과를 창출해 기쁘다”며 “자기강화복합재료는 탄소중립 주도권을 확보하면서 차기 미래 모빌리티 산업을 선도할 수 있는 소재로써 활용가능하다”고 밝혔다. KIST 김재우 박사(공동 제1저자)는 “이번에 개발한 100% 자기강화복합재료 엔지니어링 공정은 산업계에 즉시 적용될 수 있는 것으로 공동연구팀과 남전산업 및 현대자동차 등 산업계와 지속적으로 협력해 자기강화복합재료의 글로벌 경쟁력을 확보하겠다”고 향후 계획을 밝혔다. 전북대학교 유기소재섬유공학과 이혜성 박사과정(공동 제1저자)은 “박사과정으로서 자기강화복합재료 연구를 수행하면서 나온 결과가 좋은 논문으로 결실을 맺어 기쁘고, 이러한 연구들이 학술적 및 산업적으로 다양하게 적용되길 희망한다”며 “연구를 지도해주신 지도교수님과 많은 도움을 주신 다른 저자분들께 감사하다”고 밝혔다. 김성륜 지도교수(공동 교신저자)는 “긴 세월 묵묵히 학업과 연구에 매진하면서 스스로 박사로서 가치를 증명한 이혜성 박사과정에게 박수를 보내고 싶다”면서 “학술적으로는 한국과학기술연구원과 한양대와 인력의 실시간 교류가 가능한 새로운 학술연구 플랫폼에 기초하여 세계적인 연구성과를 창출했다는 것과 산업적으로는 남전산업과 현대자동차와 함께 자기강화복합재료의 글로벌 리더쉽을 확보했다는 것이 대단히 고무적이다”고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 국가과학기술연구회(NST)의 ‘미래 모빌리티 동작 신뢰성 확보를 위한 고주파/고출력 전자파 솔루션 소재·부품 기술 개발’ 융합연구단 사업(CRC22031-000), 한국연구재단 기초연구사업(2016R1A6A1A03013422), 중견연구자지원사업(2021R1A2C11093839), 교육부(장관 이주호)의 3단계 산학연협력 선도대학 육성사업(LINC 3.0)으로 수행되었다. 연구결과는 화학공학 분야 세계적인 국제학술지 ‘Chemical Engineering Journal’ (IF:16.744, JCR 분야 상위 2.448%) 최신호에 게재되었다. [그림 1] 폴리프로필렌(PP) 자기강화복합재료 정의 및 장점 [그림 2] 100% 자기강화복합재료 제조 공정 및 적용 모식도 ○ 논문명: True self-reinforced composites enabled by tuning of molecular structure for lightweight structural materials in future mobility ○ 게재일: 2023.06.01(온라인) ○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142996 ○ 논문저자 - 김재우 책임연구원(제1저자/KIST 전자파솔루션융합연구단) - 장지운 박사(제1저자/한양대학교) - 이혜성 박사과정(제1저자/전북대학교) - 김민국 선임연구원(교신저자/KIST 구조용복합소재연구센터) - 김성훈 교수(교신저자/한양대학교) - 김성륜 교수(교신저자/전북대학교)

- KIST-GIST 공동연구팀, 리튬메탈 전지의 구리박막 음극재를 탄소섬유 페이퍼로 대체 - 내구성 3배 이상 향상됐지만, 에너지 밀도 높고 가벼워 경량화도 가능 전기자동차의 보급 확대로 이차전지 수요가 폭발적으로 증가함에 따라 현재 가장 대중적으로 사용되고 있는 리튬이온 전지보다 용량이 크고 급속충전이 가능한 차세대 이차전지의 필요성이 커지고 있다. 그 가운데 리튬이온의 음극 소재인 흑연을 리튬메탈로 대체한 리튬메탈 전지는 이론적으로 리튬이온 전지보다 10배 높은 용량을 구현할 수 있다. 그러나 충·방전 중에 리튬 표면에 결정 돌기가 생성되면서 분리막을 찢는 현상이 나타나기 때문에 내구성과 안전성 문제가 있어 상용화되지 못하고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 전북분원 복합소재기술연구소(분원장 김진상) 탄소융합소재연구센터 이성호 센터장 연구팀이 광주과학기술원(GIST, 총장 직무대행 박래길) 엄광섭 교수팀과 함께 탄소섬유 페이퍼를 음극소재로 사용하여 리튬메탈 전지의 내구성을 3배 이상 향상시키는 기술을 개발했다고 밝혔다. 연구진은 리튬메탈 전지의 음극 소재로 쓰이는 리튬메탈을 코팅한 구리 박막을 리튬메탈이 함유된 얇은 탄소섬유 페이퍼로 대체했다. 개발된 탄소섬유 페이퍼는 탄소 단섬유 위에 무기 나노입자인 비결정질 탄소와 탄산나트륨으로 표면처리를 하여 리튬 친화적인 특성을 가지는 동시에 리튬 수지상 결정이 뾰족하게 성장하지 못하도록 하였다. KIST-GIST 공동연구진은 개발한 탄소섬유 페이퍼 음극소재를 사용한 결과 구리 박막보다 3배 이상 높은 내구성을 갖는 리튬메탈 전지를 제조할 수 있었다. 구리 박막은 약 100회의 충·방전 사이클 이후에서 단락이 일어났지만, 새로 개발한 탄소섬유 페이퍼는 300 사이클 이상에서도 안정적인 성능을 보였다. 또한 구리 박막을 사용하는 리튬메탈 전지의 에너지 밀도를 240 Wh/kg에서 428 Wh/kg으로 약 1.8배 증가시킬 수 있었다. 더 나아가 녹은 리튬이 탄소섬유 페이퍼에 빠른 시간 내에 흡수되는 특성을 보이기 때문에 전극 제조공정을 단순화시킬 수 있을 것으로 예상된다. 연구를 주도한 KIST 이성호 센터장은 “구리 대비 탄소섬유의 밀도가 5배 낮고 가격도 저렴한 점을 고려할 때, 연구팀이 제안한 음극재는 내구성이 높고 경량화된 리튬메탈 전지 상용화를 앞당길 수 있는 중요한 성과”라고 연구의 의의를 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원을 받아 KIST 주요사업 및 나노소재기술개발사업으로 수행되었으며, 연구결과는 국제학술지 ‘어드벤스드 에너지 머티리얼즈’ (IF=29.698, JCR 상위 2.464%) 1월호에 게재되었다. * (논문명) "Construction of Hierarchical Surface on Carbon Fiber Paper for Lithium Metal Batteries with Superior Stability" - (제1저자) 한국과학기술연구원 이윤기 연구원 - (공동교신저자) 광주과학기술원 엄광섭 교수 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 이성호 박사 ※ DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202203770 [그림 1] 고분자의 탄화를 통해 비결정질 탄소와 무기나노입자의 형성으로 계층적 구조가 형성된 탄소섬유 표면에 리튬 수지상 돌기를 억제하는 효과를 제시한 모식도와 녹은 리튬이 빠른 시간에 탄소섬유페이퍼에 흡수되는 사진임. [그림 2] 기존 탄소섬유페이퍼와 계층적 구조가 형성된 탄소섬유페이퍼의 리튬 도금량에 따른 형태 사진임.

- KIST, 아라미드 섬유 국산화에 성공했던 故 윤한식 박사에 이어 슈퍼섬유 시장의 게임체인저(Game Changer) 개발 -‘황금 실’ 아라미드 섬유에 탄소 나노튜브를 접목, 전기도 통하는‘검은 실’ 아라미드 섬유는 무게가 강철의 20% 수준에 불과하지만, 강도는 5배 이상으로 강하고 섭씨 500도에서도 불타지 않아 ‘슈퍼섬유’ 또는 ‘황금실’이라고 불린다. 방탄복, 방화복, 광케이블 보강재, 고성능 타이어, 우주항공 소재 등 다양한 분야에서 필수적인 소재로 쓰이는 아라미드 섬유는 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)의 故 윤한식 박사가 1979년부터 국산화를 위해 연구해 1984년 독자적 원천기술을 확보했다. KIST 전북 복합소재기술연구소 기능성복합소재연구센터 김대윤 박사 연구팀은 23일 아라미드 섬유에 탄소나노튜브를 적용해 가볍고, 강하면서 불에 타지 않을 뿐 아니라 기존의 아라미드 섬유가 갖지 못했던 전기 전도성까지 갖는 새로운 복합섬유를 개발했다고 밝혔다. 새로 개발한 섬유는 탄소 나노튜브로 인해 검은색을 띤다. KIST 연구팀은 누에고치에서 아이디어를 얻어 극도로 낮은 분산성을 가지는 아라미드와 탄소나노튜브를 결합하는 데 성공했다. 누에고치는 고농도의 단백질로 고강도의 섬유를 만들어내는데, 이는 액정상을 이용하기에 가능한 일이다. 유동성과 규칙성을 모두 가지는 액정상을 이용하면 복합섬유를 제작할 때 아라미드와 탄소나노튜브의 응집을 최소화하면서 동시에 배열을 향상시킬 수 있다. 연구팀은 액정상을 이용해 기존에 상용화된 아라미드 섬유와 같이 높은 비강도를 가지며 비전기전도도가 구리 전선의 약 90% 수준에 이르는 복합섬유를 구현해냈다. 이번에 개발한 차세대 아라미드 섬유는 전기 전도성을 가지고 있음에도 불구하고 금속을 전혀 사용하지 않았기 때문에 유연하고, 부식성이 없으며, 구리 전선의 무게 대비 약 30% 수준으로 가볍다. 향후 스마트 밀리터리, 의료용 로봇, 친환경 모빌리티, 항공우주 등 다양한 분야에서 차세대 전선으로 활용될 것으로 기대된다. 김대윤 박사는 “故 윤한식 박사님은 독자기술로 아라미드 섬유 국산화에 성공하셨지만, 후발주자였기 때문에 시장에 먼저 진출한 美 듀폰사와 오랜 시간에 걸쳐 특허분쟁을 겪었다”라며, “이번에 개발된 기술은 슈퍼섬유 시장의 판도를 바꿀 수 있는 원천기술”이라고 밝혔다. 본 연구는 KIST의 K-Lab 프로그램과 NRF의 우수신진연구 프로그램의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 섬유 분야의 저명한 국제학술지인 ‘Advanced Fiber Materials’ (IF: 12.924, JCR 1.923%)에 게재되었다. (논문명) Boost Up the Mechanical and Electrical Property of CNT Fibers by Governing Lyotropic Liquid Crystalline Mesophases with Aramid Polymers for Robust Lightweight Wiring Applications - (제1저자) 한국과학기술연구원 유기현 연수생 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김대윤 선임연구원 ※ DOI: https://doi.org/10.1007/s42765-022-00246-4 [그림 1] 아라미드 섬유와 탄소나노튜브 복합으로 탄생한 ‘검은 실’ [그림 2] ‘검은 실’의 인장 강도 (가로축) 및 전기 전도도 (세로축) 성능 분포 그래프 [그림 3] ‘검은 실’ 개발 핵심 요소 모식도 및 에너지 수송용 전선 응용 예시

- 고가의 탄소나노튜브 사용을 최대 50% 낮추면서도 기계적 물성은 유지 - 현존하는 탄소섬유의 물성 한계를 극복한 차세대 탄소섬유 탄소나노튜브는 강철의 100배 이상 강한 강도를 가지면서 동시에 무게는 1/4 이하로 가볍고 구리 수준의 높은 전기전도도를 가지는 신소재이다. 탄소나노튜브로 섬유를 만든다면, 이론적으로 기존 탄소섬유의 성능을 능가할 수 있어 항공우주, 국방 및 미래 모빌리티 산업의 재료로 주목받고 있다. 그러나 개별 탄소나노튜브의 우수한 물성을 섬유화했을 때 그대로 유지하기가 매우 어렵고, 현재 탄소나노튜브의 가격이 매우 높아 본격적인 상용화에는 어려움이 있었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 KIST 전북 복합소재기술연구소 탄소융합소재연구센터 구본철 박사 연구팀이 울산과학기술원(UNIST, 총장 이용훈) 채한기 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 초고강도·고탄성 탄소나노튜브 복합 탄소섬유 저가 공정기술을 개발했다고 밝혔다. 일반적으로 탄소섬유는 고분자인 폴리아크릴로니트릴 (PAN) 기반의 고강도 섬유 또는 석유 잔사유인 피치를 이용한 고탄성 섬유로 각각 제조한다. KIST 연구진은 탄소나노튜브와 폴리이미드 (PI)를 이용해 높은 강도를 유지하면서 탄성률을 획기적인 수준으로 향상시킨 기술을 개발했다. 연구진은 연속식 습식 방사공정을 이용해 탄소나노튜브와 폴리이미드의 복합섬유를 제조한 후, 고온 열처리하여 강도 (6.2 GPa)를 유지하면서 높은 탄성률 (528 GPa)을 가지는 섬유를 제조하는데 성공했다. 이는 기존에 상용화된 탄소섬유의 탄성률(약 320 GPa)의 1.6배 수준이다. 또한 제조된 섬유의 미세구조를 분석해 탄소나노튜브와 폴리이미드의 복합화가 탄소나노튜브의 배향을 향상시키고, 섬유 내 공극을 줄여 물성이 향상되었음을 검증해냈다. 연구팀은 탄소나노튜브를 저가의 폴리이미드로 최대 50%까지 대체함으로써 가격 경쟁력을 높이는 것과 동시에 초고강도와 탄성률을 유지하는 섬유를 제작할 수 있었다. 구본철 박사는 “이번 연구결과는 저가 고분자를 활용함으로써 탄소나노튜브 기반 탄소섬유 제조원가를 획기적으로 낮출 수 있게 되었다는 데 의의가 있다”고 밝혔다. “그 동안 가격 문제로 활용되지 못했던 항공우주, 국방 및 미래 모빌리티 산업에 향후 활용될 수 있을 것”이라고 기대했다. 본 연구는 KIST의 K-Lab 및 개방형 연구사업(책임자: 김진상 분원장)으로 수행되었으며, 산업통상자원부의 소재부품기술개발사업으로 수행되었다. 연구결과는 ‘Composites Part B: Engineering’(IF: 11.322, JCR 1.63%)의 탄소섬유 개발 50주년 기념 특집호에 게재되었다. * (논문명) Ultrahigh strength and modulus of polyimide-carbon nanotube based carbon and graphitic fibers with superior electrical and thermal conductivities for advanced composite applications - (제 1저자) 한국과학기술연구원(KIST) 김서균 박사후 연구원 - (제 1저자) 한국과학기술연구원, 울산과학기술원(UNIST) 허소정 학연생 - (교신저자) 울산과학기술원 채한기 교수 - (교신저자) 한국과학기술연구원 구본철 책임연구원 ※ 논문 주소: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110342 [그림 설명] [그림 1] 고강도⸱고탄성율 탄소나노튜브/고분자 복합섬유 및 탄소섬유와 비교