(1) 고신축에도 전기적/기계적 성능을 유지하는 탄소나노튜브 주름구조 개발로 에너지 저장능력(정전용량) 20배 향상과 에너지 하베스팅 특성 동시 구현, (2) 다공성 구조의 탄소나노튜브 섬유 내부까지 활성화하여 기계적 구동 및 에너지 저장 능력이 향샹된 섬유 전극 개발 등

“해당 분야 우수 학술지 ‘Composite parts B: Engineering (IF=11.322, JCR 상위 1.630%)’ 와 ‘ACS Applied Materials & Interfaces (IF=10.383, JCR 상위 14.058%)’에 각각 게재”

최창순 교수 연구팀은 최대 600%의 신축성을 가지며 전도체, 슈퍼커패시터 및 에너지 하베스터등 다양한 활용성을 가지는 미세주름구조의 탄소나노튜브 복합체 섬유를 제작하는 데 성공했다.

동국대 융합에너지신소재공학과 유성준 석사 (제1저자), 최창순 교수 (교신저자)로 구성된 연구팀은 탄소나노튜브 시트를 고분자 섬유에 로딩 하여 마이크로 크기의 미세 주름을 표면에 형성시키는 방법으로 다기능성 섬유 전극을 개발했다. 이렇게 개발된 탄소나노튜브 미세주름구조는 높은 신축성(600%)과 전도성을 가질 뿐 아니라, 고분자 코어의 접촉면으로부터 마이크로 크기의 기공을 형성하여, 미세주름이 없는 플레인 구조 대비 약 20배의 정전용량 향상과 기계-전기화학 기반 에너지 생산을 가능하게 했다. 여러가지 성능을 하나의 구조로 구현할 수 있는 고분자/탄소나노튜브 미세주름구조는 바이오센서, 에너지 하베스터, 에너지 저장체 등 다양한 분야에 활용될 수 있다. 

최창순 교수는 “이번 연구는 탄소나노튜브의 미세주름구조 제작을 통해 구조적 안정성, 기계적 신축성, 에너지 저장성능 향상, 에너지 수확을 하나의 구조에서 확인한 것에 의미가 있다.”며 “새롭게 개발된 탄소나노튜브 미세주름구조는 차세대 디바이스에 다양하게 활용될 수 있을 것”이라고 기대감을 나타냈다.

한편, 본 연구팀은 한양대와 공동연구를 통해서 섬유형 탄소나노튜브 전극에 관한 또 다른 연구도 최근 진행하였다. 최창순 동국대 융합에너지신소재공학과 교수 (교신저자)와 김선정 한양대 융합전자공학과 교수 (공동 교신저자)가 이끄는 연구팀은 전기화학 처리 방법을 적용하여 탄소나노튜브 섬유 전극의 다공성 구조 내부까지 전기화학적으로 활성화시킴으로써 기계적 구동 및 에너지 저장 성능을 획기적으로 향상시킨 탄소나노튜브 섬유 전극을 개발하는 데 성공했다. 탄소나노튜브 섬유 전극은 우수한 기계적 및 전기적 성질과 더불어 단일 방향으로 정렬된 수백만 개의 나노 번들과 번들 간 나노마이크로 채널이 밀집되어 높은 유효 반응 면적을 제공하는 독특 한 구조를 가지고 있어 다양한 분야에서 큰 잠재력을 가진 유망한 전극 후보물질이다. 하지만 다른 물질과 잘 반응하지 않는 탄소간 네트워크의 안정성 때문에 실제 활용에 제한이 많았다. 

기존 방식은 플라즈마를 이용하여 표면에 노출된 탄소네트워크을 기능화 시키는 산소 플라즈마 공정으로 수십 마이크로미터 크기를 가지는 섬유 전극은 내부 구조까지 활성화시킬 수 없었다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 전기화학 전압인가 방식을 활용하였다. 정전기적 인력과 나노마이크로 채널의 모세관 효과로 섬유의 내부까지 반응물질이 침투하여 탄소나노튜브 섬유 전극의 심 부(深部)까지 활성화되도록 설계했다. 이렇게 개발한 섬유 전극은 물과 높은 반응성을 보여 접촉각 약 38 도라는 높은 친수성을 가지며 습도 환경에서 높은 회전 구동성능 (986 revolutions/m) 및 처리 전 대비 약 25배 (72.8 mF/cm2)에 달하는 커패시턴스를 보여주었다. 

최창순 교수는 “이번 연구는 전기화학 처리라는 새로운 접근방법을 통해 탄소나노튜브 섬유를 전체적으로 활성화시켰다는 점에서 큰 의미가 있으며, 향후 소프트로봇, 직물형 배터리, 수전/습전 하베스팅 등 폭넓은 분야에서 기반 전극으로 활용되어 디바이스의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술적 전환점이 될 것”이라고 기대감을 나타냈다. 이번 연구에는 손원경 연구원 (공동 1저자), 이재명 연구원 (공동 1저자)이 참여하였다.

<왼쪽부터 융합에너지신소재공학과 최창순 교수, 유성준 석사, 손원경 연구원, 이재명 연구원>

해당 연구결과들은 공학 분야 저명 국제 학술지 「Composites part B: Engineering (IF=11.322)」 및 나노 과학기술 분야 학술지 「ACS Applied Materials & Interfaces (IF=10.383)」 23년 3월호에 각각 게재됐다.