[한국기술뉴스] 동국대 융합에너지신소재공학과 최창순 교수(교신저자)와 성균관대 에너지과학과 서동석 교수(공동 교신저자)가 이끄는 연구팀이 간단한 전기화학 처리 방법으로 코일형 탄소나노튜브 실의 구조적 안정화 및 에너지 저장용량 향상을 동시에 달성하는 데 성공했다.

일반적으로 코일형 탄소나노튜브 코일 실은 길이 방향으로 신축 변형이 가능하며, 전기전도성 변화가 적어 웨어러블 에너지 분야에 활용성이 높은 소재다. 하지만, 제작과정 중에 인가된 기계적 꼬임 때문에 외부의 추가적인 고정장치 또는 복잡한 고온 후처리 공정을 통한 형태 고정 등의 도움 없이는 실제 응용에 제한이 많았다. 뿐만 아니라 탄소 재료 고유의 소수성 특징으로 수용액 기반의 슈퍼커패시터 등의 소자에 사용 시, 성능 구현에 어려움을 겪고 있었다.

이를 동시에 해결하기 위해, 연구팀은 코일 형태를 자체적으로 유지하면서도 수용액 전해질 속에서 향상된 에너지 저장용량을 보이는 탄소나노튜브 코일 실을 구현하는 데 성공했다. 이번 연구에서는 작은 비커 속 용액에 코일 탄소나노튜브 실을 담그고 수 초 동안의 전류 인가를 통해 표면을 산화처리 하는 방식을 사용했다.

기존의 플라즈마 처리 또는 고온 열처리 방식과 비교해 경제적으로 훨씬 저렴하고, 빠르고 안전하다. 특히, 탄소나노튜브 실 고유의 기계적 유연성 및 신축성 특징에는 변함없이 형상기억 및 에너지 저장용량을 획기적으로 늘렸다. 웨어러블 전자기기에서 요구하는 조건을 충족, 상용 마스크에 끼워 넣은 후 LED 점등을 통해 전력 공급장치로의 가능성까지 보여줬다.

최창순 교수는 “이번 연구는 다양한 이점을 지닌 탄소나노튜브 코일 섬유에 구조적 안정성과 정전용량 개선을 간단한 전기화학적 방법으로 동시에 구현한 것에 의미가 있다. 해당 섬유는 직조에 의한 옷감 형태 제작이 가능해 웨어러블 전원장치나 에너지 소자에도 활용할 수 있다”고 설명했다. 이어 “에너지 용량 개선뿐만 아니라 향후 수용액 기반 환경에서 작동하는 인공근육, 에너지 하베스팅 등 다양한 소자에도 적극적으로 활용될 수 있을 것”이라고 기대감을 나타냈다.

한편, 이번 연구에는 손원경 연구원(1저자), 천성우 교수(고려대), 조성범 박사(세라믹 기술연구원), 이동윤 교수(부산대) 그리고 전준현 교수(동국대) 등 다양한 그룹이 참여했다. 연구결과는 <Twist-stabilized, Coiled Carbon Nanotube Yarns with Enhanced Capacitance>라는 제목으로 나노 과학기술 분야 학술지 「ACS Nano(IF=15.881)」 1월호에 게재됐다.