■ 배터리 없는 전기차, 다기능 탄소나노튜브 섬유 개발

 

 

 

■ 배터리 없는 전기차, 다기능 탄소나노튜브 섬유 개발

 

● 배터리 없는 전기 자동차! 고강도 섬유형 슈퍼커패시터 개발!

 

★ 한국재료연구원 김태훈 박사팀, 인하대 양승재 교수 공동 연구팀은 “다기능 탄소나노튜브 섬유” 합성에 성공하여서 세계 최초로  “고강도 섬유형 슈퍼커패시터”(super capacitor)를 2022년 01월 개발했다. 금속보다 강도가 우수하면서도 에너지를 저장할 수 있는 탄소나노튜브 섬유를 개발한 것이다. 배터리 없이 전기 자동차 외장재를 배터리로 사용할 수 있다는 의미이다. 슈퍼커패시터(super capacitor)는 리튬이차전지 보다 에너지 저장 용량이 적다. 하지만, 충방전을 매우 빠르게 할 수 있는 장치이다.

 

★ 연구진은 에너지 저장 특성을 가지면서 구조적으로 우수한 특성을 동시에 가질 수 있다면, 차량 및 드론 등의 외장재에 적용해서 기존의 배터리를 제거함으로써 자동차 경량화가 가능해지고, 이동 거리를 증가시킬 수 있을 것으로 전망했다. 2022년 01월 10일 재료연구원에 따르면, 이 섬유형 슈퍼커패시터는 190.94㎽/㎤의 전력 밀도에서 7.54㎽h/㎤의 높은 에너지 밀도를 가졌다. 또한, 굵기가 실처럼 얇아도 10㎏의 무게를 버텨내면서 정상적으로 충전과 방전이 가능했다. 이와 함께 2,000번 넘게 접고 구부려도 성능이 떨어지지 않았다.

 

★ 한국재료연구원 김태훈 박사는 "향후 에너지 저장 소재 뿐만 아니라, 경량. 고강도. 고전도성 특성을 필요로 하는 우주. 항공. 국방 분야에도 적용할 수 있을 것이다" 라고 말했다. 연구진은 우수한 전기 전도성과 인장 강도를 가진 탄소나노튜브 섬유를 합성했다. 여기에 에너지 저장을 위해 다공성 탄소를 붙였다. 또한, 탄소나노튜브 섬유의 강도를 추가적으로 증가시키고, 다공성 탄소가 섬유로부터 떨어지지 않고 견고하게 붙어있을 수 있도록 표면 처리했다. 최종적으로 본래 탄소나노튜브 섬유의 강도와 전기 전도도를 유지하면서도 에너지 저장도 가능한 "다기능 탄소나노튜브 섬유"를 합성했다. 연구진은 이번에 개발한 탄소나노튜브 섬유 생산 및 응용 기술을 바탕으로 전자파 차폐, 방탄. 복합 소재, 이차 전지 등에 적용하는 후속 연구를 진행할 예정이라고 밝혔다.

 

★ 배터리 생산보다 비용 및 자원을 절약할 수 있고, 자동차가 더 가벼워지는 동시에 이동 거리까지 늘어날 수 있어 전 세계 자동차 업계의 관심이 한국으로 쏠리고 있다. 현재 사용 중인 에너지 저장 및 구조용 소재는 고강도 또는 고에너지 저장 기능 중 한 가지 특성만을 가지고 있는 경우가 대부분이다. 다시 말하자면, 리튬이온 2차 전지의  경우, 전기를 저장할 수 있지만, 그 자체로는 기계적인 부활을 견딜 수 없다. 반면, 철. 알루미늄 등의 금속 물질과 기존의 "단위 기능 탄소나노튜브 섬유" 등은 튼튼해서 자동차 본체 외부 등 구조 소재로 사용 가능하지만, 에너지는 저장할 수 없었다. 그런데, 이번에 국내 연구진이 개발한 "다기능 탄소나노튜브 섬유"는 가벼우면서 튼튼해 외장 본체 등의 소재로도 사용이 가능하다. 연구팀은 탄소나노튜브 섬유를 추가적으로 증가시키고, 가공성 탄소가 섬유로부터 떨어지지 않고 견고하게 붙어 있을 수 있도록 표면 처리를 한 후, 다공성 탄소를 성장시켜 "고강도 섬유형 슈퍼커패시터"를 탄생시켰다.

 

★ 슈퍼 커패시터(super capacitor)는 리튬 2차 전지보다 에너지 저장 용량이 적다. 하지만, 충전 방전을 매우 빠르게 할 수 있었다. 이 섬유형 슈퍼커패시터(super capacitor)는 세제곱미터당 190.94mw의 전력 밀도에서 세제곱센터당 7.54m와 h의 높은 에너지 밀도를 가졌다. 굵기가 실처럼 얇아도 10kg의 무게를 버텨내며, 정상적으로 충전과 방전이 가능했다. 2천 번 넘게 접고 구부려도 성능이 떨어지지 않는 괴물급 내구성을 보여주었다. 어떻게 이럴 수 있을까? 탄소 나노튜브 섬유의 굵기는 머리카락의 1만 분의 1에 불과하지만 강도는 강철보다 100배나 단단하기 때문이다. 전기 전도율 또한 자연계에서 매우 뛰어난 구리를 넘어서고 열전도율도 다이아몬드와 비슷해서 빨리 분산시킨다. 전도율이 높다는 것은 낮은 전력으로도 구동 전력 전송이 가능해서 전송 전력 소모가 그만큼 줄어든다는 의미이다. 

 

★ 슈퍼 커패시터(super capacitor)는 향후 에너지 저장 소재뿐만 아니라 경량 고강도 고전도성 특성을 필요로 하는 우주 항공 국방 분야에도 적용할 수 있을 것으로 전망된다. 국내 연구진은 "다기능 탄소나노튜브 섬유"를 방탄 초경량 복합 소재 등에 활용하는 후속 연구와 탄소튜브 섬유의 대량 생산 및 전자파 차폐용 탄소나노튜브 섬유 개발 등을 함께 진행 중이다. 연구 결과는 국제학술지 사이언스 어드벤시스(Science Advances)에 게재되었는데, 많은 전문가들로부터 폭발적인 반응을 얻었다. 그도 그럴 것이 “탄소나노튜브 섬유”는 꿈의 물질로 불리며, 차세대 신소재로 주목받아 왔는데도 불구하고, 실제 양산을 통해 제품에 적용하고 있는 기업은 전 세계에서 미국에 단 한 곳뿐이었기 때문이다. 탄소나노튜브 섬유는 1991년 최초로 발견되어 사람들의 기대를 한몸에 받았고, 여러 연구소에서 개발에 착수했지만, 상용화하기에는 극복해야 할 기술적 난제가 너무 많았다. 그런데, 마침내 한국에서 그 난제를 풀어낸 것이었다. 또한 한국은 배터리가 없는 전기차의 개발 단계까지 이르렀다.

 

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