▲ 카본클로스 표면 처리를 통한 철옥시수산화물(FeOOH) 형성과정 모식도

국내 연구진이 차세대 전극소재인 카본클로스(Carbon Cloth)에 기능성 나노입자를 친환경적으로 합성하는 기술을 개발, 유해 화학물질을 줄이고 저비용으로 활용할 수 있을 것으로 기대 된다.

한국기초과학지원연구원(원장 신형식, 이하 KBSI)은 전주센터 박종배 박사 연구팀과 순천향대(총장 김승우) 에너지시스템학과 이영우 교수 연구팀이 여러 첨가제 사용 없이 단일 화학물질 만으로 카본클로스 표면에 나노입자를 형성해, 슈퍼커패시터의 전극촉매 물질로 사용하는데 성공했다고 6일 밝혔다.

차세대 전극소재인 카본클로스는 탄소섬유를 사용한 직물이다. 금속보다 가볍고, 강도와 탄성이 뛰어나 토목·건축 보강재, 자동차, 스포츠·레저용품 신소재 또는 항공기 부재의 재료로도 사용된다.

탄소는 석유에서 비교적 쉽게 구할 수 있는 소재인 반면, 활용에 있어서는 수 백배의 부가가치 효과가 있다. 이에 탄소기반의 전극소재인 카본클로스의 기능성을 높이기 위해 표면에 다양한 나노입자를 형성하는 소재개발 연구가 세계적으로 한창 진행 중이다.

다만 가격이 비싸고 활용목적에 맞게 표면에 기능성을 더하기 위해 나노입자를 카본클로스에 코팅하거나 물질합성 시에 여러 첨가제를 사용해 다량의 폐기물을 발생시키고, 첨가제에 들어있는 독성 화학물질은 환경오염의 원인이 된다. 따라서 화학물질의 사용을 줄이는 것이 환경에도 이롭고 비용도 절감할 수 있다.

이번에 개발한 기술은 카본클로스의 표면에 철옥시수산화물 나노입자를 합성해 수전해 반응 촉매전극과커패시터 응용에 적용했다. 60℃이하의 낮은 온도에서 단일 화학물질을 사용해 나노입자를 합성한 것으로, 높은 압력과 고온 환경에서 다양한 첨가제를 사용해야 했던 방식을 뛰어넘는 성과다. 또한 대면적으로도 합성할 수 있기 때문에 대량생산도 가능하다

KBSI 박종배 박사는 “제조공정 상 버려지는 짜투리의 탄소섬유, 일반섬유 등에도 기능성을 부여해 재활용에 이용할 수 있다는 점에서, 산업적 활용도가 높은 성과라 할 수 있다”고 밝혔다.

순천향대 이영우 교수는 “이번 연구는 차세대 에너지 변환 및 저장 분야에서 저비용으로 대량생산이 가능한 새로운 핵심소재 개발기술을 제안한 것”이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구결과는 KBSI 전지소재 성능 한계돌파를 위한 통합분석시스템 구축사업과 한국연구재단, 과학기술일자리진흥원의 지원으로 진행됐으며, 재료분야 국제학술지인 Applied Surface Science지에 최근 게재됐다.