한국과학기술연구원(KIST) 기능성복합소재연구센터 선임연구원 손동익 박사와 전북대학교 김학용 교수 공동 연구팀은 손상돼 쓰지 못하게 된 소재를 재활용해 탄소 방적직물을 제작했다고 합니다. 심지어 개발된 탄소 방적직물을 리튬이온 이차전지 소재로 적용했다고 하는데요. 해당 연구 논문은 <Composites Part B : Engineering>에 게재됐습니다.
못 쓰는 재료로 옷 만들었다
웨어러블 전자 기기에서 필수적인 구성요소 중 하나인 유연한 전극은 수많은 연구들을 통해 다양한 소재들이 적용돼 왔습니다. 개발된 소재들은 모두 뛰어난 효율을 갖고 있었습니다. 하지만 높은 제조 비용과 적용된 소재의 물리적, 화학적 특성의 한계로 인해 상용화에 어려움을 겪고 있었죠.
손동익 박사팀은 산업용 신소재 제조 과정 중 손상된 'Oxi-PAN 섬유(Oxidized PolyAcryloNitrile)'를 재활용했습니다. Oxi-PAN 섬유(Oxidized PolyAcryloNitrile)는 내약품성, 내열성이 우수한 섬유기존의 면섬유입니다. 유연성이 뛰어나 방적, 직포, 부직포 가공이 용이하죠. 연구팀은 제조 기술인 방적 공정을 통해 Oxi-PAN을 실 형태(방적사)로 만들었습니다. 참고로 방적사란 면이나 양털과 같이 길이가 짧은 섬유, 단섬유를 방적한 실의 총칭을 말합니다.
그 다음 연구팀은 편직 공정을 통해 방적사를 면섬유(방적 직물)로 만들었습니다. 그 후 안정화 및 탄화 공정을 거쳐 최종적으로 탄소 방적사와 탄소 방적 직물을 제조했습니다. 연구팀이 만든 탄소 소재는 버려지는 섬유를 재활용하고 기존의 섬유 제조기술을 적용했습니다. 때문에 저렴하게 제조할 수 있어 상용화의 가능성이 매우 크죠.
연구진은 제조한 탄소 소재로 탄소 의류와 탄소 장갑으로 만들었습니다. 연구팀은 실험을 통해 탄소 소재을 10,000번 이상 반복적으로 접거나 구겼는데요. 반복된 실험에도 탄소 직물은 형태와 전기전도도를 유지했습니다. 또한 연구팀은 해당 탄소 직물이 세탁이 가능할 만큼 물리 화학적으로도 안정적인 것도 확인했습니다. 연구팀이 개발한 탄소 소재는 스마트 의류에 적용이 가능할 전망입니다.
리튬이온 이차전지 소재에도 적용 가능
KIST 연구진은 한발 더 나아가 제조한 탄소 소재가 이차전지의 소재로 활용하기에 최적화된 구조임을 확인했습니다. 연구팀은 탄소 소재를 집전체로 활용했습니다. 참고로 집전체는 이차전지 구조 소재 중에서 전기 저항이 낮습니다. 또한 충전과 방전 중 활물질로 전류를 전달하거나 활물질에서 전류를 전달하도록 하죠.
연구팀이 적용한 탄소섬유 집전체는 기존의 알루미늄 집전체 대비 낮은 저항값과 향상된 성능을 나타냈습니다. 연구팀은 탄소섬유 집전체에 1,200번 이상의 굽힘 테스트를 시도했는데요. 그럼에도 탄소섬유 집전체는 초기 대비 90%이상의 용량을 유지했습니다. 연구팀의 전극은 수차례의 충·방전 테스트에도 우수한 성능을 보였습니다. 연구팀은 탄소 직물을 적용해 파우치형 리튬이온 이차전지를 만들었습니다. 연구팀의 이차전지는 자유롭게 변형이 가능합니다. 뿐만 아니라 우수한 안정성 및 유연성을 나타냈다고 합니다.
이번 연구를 주도한 KIST 손동익 박사는 "세탁 가능하고, 구겨지고, 비틀어도 원상복원이 가능한 저가의 탄소 방적 직물 개발은 에너지 저장 소재로의 응용뿐만 아니라 유연한 전자소재, 환경 소재 등 다양한 곳에 널리 응용이 가능할 것으로 생각된다"고 밝혔습니다.
##참고자료##
