[과학을 품다] 재활용 탄소 직물, 웨어러블 제품에 값싸게 적용한다
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[과학을 품다] 재활용 탄소 직물, 웨어러블 제품에 값싸게 적용한다
  • 정종오 기자
  • 승인 2019.11.19 12:00
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국내 연구팀, 저렴한 탄소 소재 직물 개발…리튬이온 이차전지 소재에 적용
연구팀이 개발한 탄소 소재 직물로 리튬이온전지의 집전체로 사용, 1200번 이상의 굽힘 테스트에도 초기 대비 90% 이상의 성능을 유지했다. [사진=KIST]
연구팀이 개발한 탄소 소재 직물로 리튬이온전지의 집전체로 사용, 1200번 이상의 굽힘 테스트에도 초기 대비 90% 이상의 성능을 유지했다. [사진=KIST]

손상된 소재를 재활용해 값싼 탄소 소재 직물이 개발됐다. 리튬이온전지 소재에 적용할 수 있다. 에너지저장 소재, 차세대 웨어러블 제품 등 다양한 분야에 응용이 가능할 것으로 보여 눈길을 끈다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 기능성복합소재연구센터 선임연구원 손동익 박사, 전북대 김학용 교수 공동 연구팀은 손상돼 쓰지 못하게 된 소재를 재활용해 탄소 방적 직물을 제작하고 리튬이온 이차전지 소재로 적용했다고 19일 발표했다.

웨어러블 전자 기기에서 필수적 구성요소 중 하나인 유연한 전극은 수많은 연구를 통해 다양한 소재들이 적용돼 왔다. 그 성과로 개발된 소재들의 뛰어난 효율에도 불구하고 높은 제조 비용과 적용된 소재의 물리적, 화학적 특성의 한계로 인해 상용화에 어려움을 겪고 있었다.

손동익 박사팀은 산업용 신소재 제조 과정 중 손상된 섬유(Oxi-PAN)를 재활용했다. ‘Oxi-PAN’은 내염화(anti-flammable) 섬유로써 유연성이 뛰어나 방적, 직포, 부직포 가공이 쉽고 내약품성, 내열성이 우수한 섬유이다. 기존의 면섬유 제조 기술인 방적 공정을 통해 실 형태로 만든 뒤, 편직 공정을 통해 면섬유(방적 직물)로 만들었다. 그 후 안정화와 탄화 공정을 거쳐 최종적으로 탄소 방적사와 탄소 방적 직물을 제조했다.

연구팀이 만든 탄소 소재는 버려지는 섬유를 재활용하고 기존의 섬유 제조기술을 적용했기 때문에 저렴하게 제조할 수 있다. 상용화될 가능성이 매우 크다. 연구팀은 이 소재를 스마트 의류에 적용 가능한 탄소 의류와 탄소 장갑으로 만들었다. 실험을 통해 1만 번 이상 반복적으로 접거나 구겨도 형태나 전기전도도가 유지되며 세탁 또한 가능할 만큼 물리 화학적으로도 안정적이었다.

KIST 연구팀은 한발 더 나아가 제조한 탄소 소재가 이차전지의 소재로 활용하기에 최적화된 구조임을 확인하고 이차전지의 전극의 필수 소재인 집전체로 활용했다. 집전체는 이차전지 구조 소재 중에서 전기 저항이 낮으며 충전과 방전 중에 활물질로 전류를 전달하거나 활물질에서 전류를 전달하도록 하는 구조체를 말한다.

적용된 탄소섬유 집전체는 기존의 알루미늄 집전체 대비 낮은 저항값과 향상된 성능을 나타냈다. 특히 1200번 이상의 굽힘 테스트에도 초기 대비 90% 이상의 용량을 유지했다. 탄소 방적 직물로 제작한 전극은 수차례의 충·방전 테스트에도 우수한 성능을 보였다. 파우치형 리튬이온 이차전지는 자유롭게 변형할 수 있으며 우수한 안정성과 유연성을 나타냈다.

손동익 박사는 “세탁할 수 있고, 구겨지고, 비틀어도 원상복원이 가능한 저가의 탄소 방적 직물 개발은 에너지저장 소재로의 응용뿐만 아니라 유연한 전자소재, 환경 소재 등 다양한 곳에 널리 응용이 가능할 것으로 생각된다”고 말했다.

연구결과는 소재 분야 국제 저널인 ‘Composites Part B : Engineering’ 최신호(논문명: Versatile 3D porous recycled carbon garments with fully-loaded active materials in the current collector for advanced lithium-ion batteries)에 실렸다.

정종오 기자  science@greened.kr

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