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기능성 탄소소재 활용의 친환경, 저비용 솔루션 제시
이름 : 언론홍보 | 작성일 : 2022.04.06 13:19 | 조회수 : 3871
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기능성 탄소소재 활용의 친환경, 저비용 솔루션 제시

섬유의 활용범위 확대 및 재활용 위한 친환경 기능성 나노물질 합성법 개발

KBSI-순천향대 공동연구, 재료분야 국제학술지 Applied Surface Science誌 게재


그림1. 카본클로스 표면 처리를 통한 철옥시수산화물(FeOOH) 형성과정 모식도

 

 국내 연구진이 차세대 전극소재인 카본클로스(Carbon Cloth)에 기능성 나노입자를 친환경적으로 합성하는 기술을 개발했다. 제조 공정에서 사용되는 다양한 염료와 첨가제로부터 나오는 유해 화학물질을 획기적으로 줄일 수 있어, 친환경과 저비용이라는 두 마리 토끼를 잡을 수 있을 것으로 기대된다.  


그림2. 단일 화학물질을 이용한 저비용 합성과정을 통해 합성된 철옥시수산화물(FeOOH) 및 카본클로스 복합 전극소재의 구조분석 결과_카본클로스 표면에 철옥시수산화물(FeOOH) 나노입자가 직접 형성된 모습을 보여주는 전자현미경 이미지 결과들


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


 차세대 전극소재인 카본클로스는 탄소섬유를 사용한 직물이다. 금속보다 가볍고, 강도와 탄성이 뛰어나 토목·건축 보강재, 자동차 등의 스포츠·레저용품 신소재 또는 항공기 부재의 재료로도 사용된다. 탄소는 석유에서 비교적 쉽게 구할 수 있는 소재인 반면, 활용에 있어서는 수백배의 부가가치 효과가 있기 때문에 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 사용하고 있어, 다량의 폐기물을 발생시키고, 첨가제에 들어있는 독성 화학물질은 환경오염의 원인이 된다. 따라서, 합성반응 과정에서 화학물질의 사용을 최대한 줄이는 것이 그만큼 환경에도 이롭고, 비용도 절감할 수 있다.  


 KBSI 박종배 박사 연구팀은 지난 2021년, 가장 대중적인 합성섬유 중 하나인 폴리에스터의 표면에 단일 화학물질을 사용하고도 기능에 맞는 다양한 나노물질을 형성하거나, 원하는 모양으로 나노입자를 조절할 수 있는 합성법을 개발하여 나노분야 국제학술지인 Nanotechnology誌에 발표한 바 있다. 이를 통해 나노입자가 형성되는 물질에 따라 다양하게 응용되고, 나아가 섬유 폐기물을 산업적으로 재활용할 수 있는 이론적 근거를 제시했다. 


그림3. 철옥시수산화물(FeOOH)이 합성된 카본클로스 복합 전극소재에 대한 수전해 및 커패시터 전기화학적 특성분석 결과_

(e)카본클로스 복합 전극소재(빨간색)가 기존에 보고된 Fe기반 커패시터 전극소재(녹색)보다 높은 축전용량을 갖는 실험결과임을 알 수 있음.


 이번에 개발한 기술도 커패시터의 전극소재로 널리 쓰이는 카본클로스의 표면에 철옥시수산화물 나노입자를 합성하여 수전해 반응 촉매전극은 물론, 커패시터 응용에 적용했다. 60℃이하의 낮은 온도에서 단일 화학물질을 사용하여 효과적으로 나노입자를 합성한 것으로, 그동안 높은 압력과 고온 환경에서 다양한 첨가제를 사용해야 했던 방식을 뛰어넘는 성과이다. 또한, 대면적으로도 합성할 수 있기 때문에 대량생산의 가능성도 입증했다.


 KBSI 박종배 박사 연구팀은 카본클로스의 표면에 직접 나노입자를 만드는 합성법을 개발하였으며, 순천향대 이영우 교수 연구팀은 이번에 개발한 전극소재를 바탕으로 슈퍼커패시터와 수전해 촉매 활용을 위한 전기화학적 실험을 진행했다. 


사진연구자 사진_() KBSI 박종배 책임연구원(공동교신저자), (순천향대 이영우 교수(공동교신저자)


 이번 연구결과는 KBSI 전지소재 성능 한계돌파를 위한 통합분석시스템 구축사업과 한국연구재단, 과학기술일자리진흥원의 지원으로 진행됐으며, 재료분야 국제학술지인 Applied Surface Science誌 [논문명 : Spindle-shape ferric oxyhydroxides with nano-sized grains for efficient oxygen evolution reaction and supercapactiors, IF:6.707, JCR 상위 4.76%, KBSI 박종배(공동교신저자), 순천향대 이영우(공동교신저자)]에 최근 게재됐다. 


 KBSI 박종배 박사는 “단일 화학물질만 사용하여 탄소섬유와 일반섬유는 물론, 카본클로스에 이르기까지 다양한 물질의 표면에 직접 나노입자를 합성시켜 기능성을 확보했다”며, “이를 통해 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”이라며, “학·연 공동연구를 바탕으로 창출된 의미있는 연구사례”라고 밝혔다. <끝>

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