[더테크 이지영 기자]  한국전기연구원 나노융합연구센터 한중탁 박사팀이 기존 합성섬유 공정 방식을 그대로 활용해 웨어러블 전자기기의 근간인 ‘기능성 와이어’를 제조하는 데 성공했다고 14일 밝혔다.

이번 성과는 ‘단일벽 탄소나노튜브 탄소나노소재는 탄소가 육각형 모양으로 이루어진 나노스케일의 전도성 소재로, 꿈의 신소재라 불리는 2차원 평면 구조인 `그래핀(graphene)`, 그리고 그래핀이 나선형으로 휘감아진 구조인 `탄소나노튜브(CNT)` 등이 있다. 그중 탄소나노튜브는 다중벽과 단일벽으로 나뉘는데, 벽이 1개인 단일벽이 가늘고 투명해 물성과 전기전도성이 훨씬 좋다.

이번 성과는 ‘단일벽 탄소나노튜브’를 활용한 고에너지 경량 와이어다. CNT는 강철의 100배 강도에, 전기 전도도는 구리에 버금가는 수준을 가진 신소재로, 6각형 고리로 연결된 탄소들이 긴 원통형 모양을 이루고 있어 유연성도 뛰어나다.

특히 CNT는 소량의 첨가만으로도 에너지 밀도를 크게 높여주기 때문에 전자기기를 구성하는 무거운 구리의 양을 크게 줄일 수 있다. 다만, CNT는 응집하려는 성질이 매우 강해 서로 엉킨 구조를 가지고, 유기용매 등에 분산이 어려워 전기·전자기기 분야에 적용하는 데 높은 기술력이 요구된다.

이에 연구팀은 CNT 표면에 용매와 친한 ‘산소 기능기’를 도입하기 위해 소량의 강산과 첨가제를 넣고 반죽하여, 저온(섭씨 2℃)에서 일정 시간 보관했다. 이는 빵이나 국수를 만들 때 밀가루에 물과 첨가물을 섞어주고 반죽을 하면 숙성이 되는 방식을 모방한 것으로, CNT가 저온에서 기능화될 경우, 표면에 결함 구조가 최소화되어 성능을 극대화할 수 있다.

KERI CNT 와이어는 한국재료연구원과 건국대와의 공동연구를 통해 성능 검증도 거쳤다. 한국재료연구원 김태훈 박사팀은 CNT 와이어를 직물(textile) 형태의 슈퍼커패시터로 제작해 성능을 평가했고, 세계최고 수준의 우수한 에너지 저장 성능을 확인했다.

또한, 건국대 이위형 교수 연구팀에서는 산소 기능기를 보유한 CNT 와이어가 유해가스 유무를 판단하는 가스 센서 성능이 뛰어나다는 것을 확인했다. 이는 소방대원의 화재 진압이나 국방 분야 등 스마트 의류에 크게 적용될 수 있는 기능이다.

연구 결과는 우수성을 인정받아 미국 화학회가 발행하는 나노과학 분야 최상위급 SCI 학술지인 ‘ACS Nano’에 논문이 게재됐다.

한중탁 KERI 박사는 “기능화된 CNT를 유기용매에 분산하고, 용액 방사해 와이어를 만든 세계 최초의 성과로, 가볍고 오래 가는 웨어러블 전자기기 산업 발전을 이끌 것”이라고 밝히며 “꾸준한 연구를 통해 전기차나 드론 등 미래 모빌리티 분야에서도 구리 와이어를 대체하여 경량성과 에너지 효율성을 크게 높일 수 있을 것”이라고 전했다.

연구 결과는 우수성을 인정받아 미국 화학회가 발행하는 나노과학 분야 최상위급 SCI 학술지인 ‘ACS Nano’에 논문이 게재됐다.