한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 탄소융합소재연구센터 구본철, 김서균 박사 연구팀과 서울대학교(총장 유홍림) 박원철 교수 연구팀이 공동 연구를 통해 차세대 에너지 저장 장치로 주목받는 고성능 슈퍼커패시터를 개발했다. 공동 연구진이 개발한 이번 기술은 단일벽 탄소나노튜브(CNT)와 전도성 고분자 폴리아닐린(PANI)을 복합한 혁신적인 섬유 구조를 활용해 기존 슈퍼커패시터의 한계를 극복한 것이 특징이다.

 슈퍼커패시터는 일반 배터리에 비해 빠른 충전과 높은 전력 밀도를 자랑하며, 수만 회의 충·방전 사이클에도 성능 저하가 적다. 그러나 상대적으로 낮은 에너지 밀도 탓에 장시간 사용에는 제약이 있어, 전기차나 드론 등 실사용 분야에서는 한계를 보였다.

 연구진은 이러한 문제 해결을 위해, 전도성이 뛰어난 단일벽 탄소나노튜브(CNT)와 가공성과 저렴한 가격이 강점인 폴리아닐린(PANI)을 나노 수준에서 균일하게 화학 결합을 성공시켰다. 이를 통해 전자와 이온의 흐름을 동시에 향상시키는 정교한 섬유 구조체를 제작, 더 많은 에너지를 저장하면서도 빠른 속도로 방출할 수 있는 슈퍼커패시터를 개발했다.

 개발된 슈퍼커패시터는 10만 회 이상의 충·방전 테스트에서도 안정적인 성능을 유지하며, 고전압 환경에서도 내구성이 뛰어난 것으로 나타났다. 이러한 특성 덕분에, 해당 기술은 기존 배터리 시스템을 대체하거나 보완하는 형태로 활용될 수 있다. 예를 들어 전기차에 적용할 경우, 급속 충전과 더불어 효율적인 전력 공급이 가능해져 주행 거리와 성능 모두를 향상시킬 수 있다. 드론이나 로봇 등의 분야에서도 운용 시간 증가 및 안정성 강화 등 다양한 효과가 기대된다. 또한 개발된 복합 섬유(CNT-PANI)는 높은 기계적 유연성을 가지기 때문에, 휘거나 접을 수 있어 웨어러블 기기 등 차세대 전자 소자에 적용이 가능하다.

 이번 연구의 또 다른 큰 성과는 생산비 절감 및 대량 생산 가능성 확보이다. 단일벽 탄소나노튜브(CNT)는 우수한 특성에도 불구하고 생산 단가가 높아 상용화에 어려움이 있었지만, 연구진은 저가의 전도성 고분자 폴리아닐린(PANI)과의 복합화 기술을 통해 이 문제를 해결했다. 나아가 간단한 공정을 통해 대량생산이 가능한 공정 기반도 마련했으며, 최근에는 이 기술을 바탕으로 필름 형태의 구조체 개발에까지 성공함으로써, 상용화를 한층 더 앞당겼다. 향후 전기차, 로봇, 드론, 웨어러블 디바이스 등 다양한 산업에 걸쳐 탄소중립 사회로의 전환을 위한 핵심 기반 기술로 활용될 예정이다.

 KIST 구본철 박사는 “이번 기술은 슈퍼커패시터의 단점을 단일벽 탄소나노튜브 및 전도성 고분자를 이용해 극복한 기술이다”며, “앞으로 탄소나노튜브 기반 초고성능 탄소섬유 개발 및 산업화에 매진할 계획이다”라고 밝혔다.

 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임) KIST 기관고유사업, 지역혁신선도기술개발사업(RS-2019-NR040066), 학연플랫폼구축시범사업(RS-2023-00304729) 및 산업통상자원부(장관 안덕근) 소재부품기술개발사업(RS-2023-00258521) 등 지원으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 ‘Composites Part B: Engineering’ (IF: 12.7, JCR: 0.3%) 최신호에 게재됐으며, 국내 및 미국 특허출원도 완료한 상태이다.

* (논문명) Nanocell-structured carbon nanotube composite fibers for ultrahigh energy and power density supercapacitors

[그림 1] 차세대 CNT-PANI 복합섬유 슈퍼커패시터 모식도 및 최근 연구결과와 비교 그래프

(좌) CNT와 PANI가 복합화되어 있는 모식도이다. CNT 사이에 공유결합된 PANI가 고르게 분포하고, 그 각각의 PANI가 나노크기의 셀로써 작용할 수 있다는 것을 나타낸다.

(우) 이러한 특성을 기반으로 하여 제조된 복합섬유는 일반적인 슈퍼커패시터의 특성을 뛰어넘는, 전력밀도와 에너지밀도가 동시에 우수한 특성을 보인다. (*KIST1은 PANI의 무게만으로 계산된 값, KIST2는 섬유 전체의 무게로 계산된 값이다.)

[그림 2] CNT-PANI 복합섬유 대량화 공정에 따른 섬유 단면 이미지 및 비정전용량 분석 그래프

복합섬유 커패시터의 상용화 가능성을 보기 위해, 대량 제조공정을 도입하였다. 1가닥 섬유부터 300가닥의 섬유까지 대량화 공정을 통해 섬유 다발을 제조하였고, PANI가 내부에서 나노셀 역할을 하기 때문에 비정전용량은 감소하지 않고 잘 유지되는 것을 확인할 수 있다.

[그림 3] CNT-PANI 복합섬유의 제조 공정 모식도

PANI가 복합화된 섬유를 제조하는 전체적인 공정 모식도이다. (좌측부터) 탄소나노튜브를 기반으로 하여 액정상을 형성하고, 이를 응고용매에 방사하며 응고 및 연신 공정을 거친다. 최종적으로 제조된 복합섬유는 PANI가 고르게 분포하고 있는 구조를 가진다.