- 반복적인 세탁, 구부림에도 물리 화학적으로 안정적인 저가의 탄소 직물 개발 - 에너지 저장 소재, 차세대 웨어러블 제품 등 다양한 분야에 응용 가능 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 기능성복합소재연구센터 선임연구원 손동익 박사, 전북대학교 김학용 교수 공동 연구팀은 손상되어 쓰지 못하게 된 소재를 재활용하여 탄소 방적 직물을 제작하고, 리튬이온 이차전지 소재로 적용했다고 밝혔다. 웨어러블 전자 기기에서 필수적 구성요소 중 하나인 유연한 전극은 수 많은 연구들을 통해 다양한 소재들이 적용되어 왔다. 하지만 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 재활용하였다. 기존의 면섬유 제조 기술인 방적 공정을 통해 실 형태(방적사**)로 만든 뒤, 편직 공정을 통해 면섬유(방적 직물)로 만들었다. 그 후 안정화 및 탄화 공정을 거쳐 최종적으로 탄소 방적사와 탄소 방적 직물을 제조하였다. *Oxi-PAN 섬유(Oxidized PolyAcryloNitrile) : 내염화(anti-flammable) 섬유로써 유연성이 뛰어나 방적, 직포, 부직포 가공이 용이하고 내약품성, 내열성이 우수한 섬유 **방적사 : 면이나 양털과 같이 길이가 짧은 섬유, 단섬유를 방적한 실의 총칭 연구팀이 만든 탄소 소재는 버려지는 섬유를 재활용하고, 기존의 섬유 제조기술을 적용했기 때문에, 저렴하게 제조할 수 있어 상용화될 가능성이 매우 크다. 연구진은 이 소재를 스마트 의류에 적용 가능한 탄소 의류와 탄소 장갑으로 제조하였다. 실험을 통해 10,000번 이상 반복적으로 접거나 구겨도 형태나 전기전도도가 유지되며 세탁 또한 가능할 만큼 물리 화학적으로도 안정적인 것을 확인했다. KIST 연구진은 한발 더 나아가 제조한 탄소 소재가 이차전지의 소재로 활용하기에 최적화된 구조임을 확인하고, 이차전지의 전극의 필수소재인 집전체***로 활용하였다. 적용된 탄소섬유 집전체는 기존의 알루미늄 집전체 대비 낮은 저항값과 향상된 성능을 나타냈다. 특히, 1,200번 이상의 굽힘 테스트에도 초기 대비 90%이상의 용량을 유지하였으며, 탄소 방적 직물로 제작한 전극은 수차례의 충·방전 테스트에도 우수한 성능을 보였다. 파우치형 리튬이온 이차전지는 자유롭게 변형이 가능하며, 우수한 안정성 및 유연성을 나타내었다. ***집전체 : 이차전지 구조 소재 중에서 전기 저항이 낮으며, 충전과 방전 중에 활물질로 전류를 전달하거나 활물질에서 전류를 전달하도록 하는 구조체 KIST 손동익 박사는 “세탁 가능하고, 구겨지고, 비틀어도 원상복원이 가능한 저가의 탄소 방적 직물 개발은 에너지 저장 소재로의 응용뿐만 아니라 유연한 전자소재, 환경 소재 등 다양한 곳에 널리 응용이 가능할 것으로 생각된다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구사업 및 국가과학기술연구회 창의융합연구사업으로 수행되었다. 전북대학교와의 공동연구로 진행된 이번 연구결과는 소재 분야 국제 저널인 ‘Composites Part B : Engineering’ (IF: 6.864, JCR 분야 상위 2.00%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Versatile 3D porous recycled carbon garments with fully-loaded active materials in the current collector for advanced lithium-ion batteries - (제 1저자) National Research Council Canada(NRC) 조현진 박사 - (제 1저자) 한국기초과학지원연구원(KBSI) 김연호 박사 - (제 1저자, 교신저자) 한국과학기술연구원 손동익 선임연구원 - (교신저자) 전북대학교 김학용 교수 <그림설명> [그림 1] Oxi-PAN 방적사 제조부터 전도성 탄소 편직물의 제조 및 에너지 저장장치로의 응용 a. Oxi-PAN 단섬유. b. 방적사 공정에 의해 제조된 옥시-팬 방적 섬유. c. 편직 공정에 의해 제조된 Oxi-PAN 방적 직물, 티셔츠 및 장갑. d. 탄화 공정을 이용한 탄소방적직물, 탄소 의류 및 탄소 장갑의 제조. e. 전도성 탄소 의류(티셔츠) 및 탄소 장갑 제작, 그리고, 탄소방적직물을 사용한 방열판 및 히터 적용. f. 탄소방적직물을 열 보호소재로 응용. g. 3차원 다공성 구조를 갖는 탄소방적직물을 이용해 에너지 저장 장치 중 코인 셀 및 파우치 셀에 적용. [그림 2] 탄소방적직물(CSF)의 반복된 저항 테스트, 탄소방적직물의 열 확산 측정과 히터 응용 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트 사진. b 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트동안의 저항 자료 사진. c 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트 동안의 변화된 분석 자료 사진. d 굳힘과 늘어남에 대한 변화 동안의 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향(Course)) 실험 사진. e 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC) over time (120 s, 1 to 6 V) 의 열분석 자료. f 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC) over time (600 s, 1 to 6 V) 의 반복된 열분석 자료. g, h, i 1100도에 탄화된 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향 (Course))의 가해진 전압 (1 V, 3.75 V, and 6 V)의 사진. j, k 굳힘 테스트 동안의 전압 (3.6 V and 3.8 V)에 가해진 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향 (Course), 1100 oC) 사진. [그림 3] 탄소방적직물(CSF)의 이론적 열 확산 계산, 열 분산, 단열 및 안정성 실험 a, b 기본 세로방향 직물 (course standard)과 세로방향 직물 늘어남 (course stretching (40%))의 주사전자현미경 (SEM) 이미지. c, d 세로 방향(course) 탄소방적직물 (표준 (0 %) 및 연신 (40 %))의 finite element analysis (FEA)에서 Joule heating 시뮬레이션 자료 이미지와 탄소방적직물의 모델링 및 시뮬레이션과 실험 간의 온도 비교. e 웨어러블 전자기기용 전극으로서 유연하고 구겨진 접히고 뒤틀린 탄소방적직물 (CSF) 사진. f 탄소방적직물의 단열 시험 사진. g A-D 적외선 열화상 카메라으로 부터 열 분석 데이터와 함께 방열판으로서 상용 Cu 호일과 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC)의 LED 전기 회로 사진. [그림 4] 리튬 이온 베터리를 적용하기 위한 LiFePO4/탄소 직물 복합재의 분석 a 코인 셀의 개략도. b 코인 셀에 적용된 탄소방적직물 (CSF) (pristine) 및 CSF/LFP 합성물의 도식도. c 3 차원 다공성 구조 (top image, A)를 가진 유일한 CSF (pristine)의 비파괴 3D X-ray Microscopes (XRM)의 가상 단면 사진. 충 방전 Nc = 200 후 CSF/LFP 복합체 구조의 가상 단면 사진 (bottom image, B). d 충전/방전 후 CSF/LFP 복합체의 총 면적을 나타내는 XRM 이미지 (Nc = 200). e CSF를 제외한 LFP 활물질의 면적 계산. f LFP 활물질 및 CSF를 제외한 기공 면적. SEM-AFM (KPFM)에 의한 CSF/LFP 복합체의 구조 및 전기 분석. g 충전/방전 전에 CSF/LFP 복합체에 접근하는 AFM 팁의 SEM 이미지. h, i Surface topography 및 충전/방전 이전의 Surface potential 데이터, 스캔 크기 1.5 μm × 1.5 μm. j 충전/방전 Nc = 200 주기 후 샘플에 접근하는 AFM 팁의 SEM 이미지. k, l Surface topography 과 충전/방전 사이클 후 Surface potential 데이터, 스캔 크기 1.5 μm × 1.5 μm. [그림 5] 카본섬유를 집전체로 적용한 플렉서블 리튬이차전지 특성 (a-d) 플렉서블 카본섬유가 집전체로 적용된 리튬이차전지의 코인셀 특성 (e-g) 형태의 변형이 가능한 파우치 형태로 제작된 리튬이차전지의 굽힘 및 전지 특성.

- 반복적인 세탁, 구부림에도 물리 화학적으로 안정적인 저가의 탄소 직물 개발 - 에너지 저장 소재, 차세대 웨어러블 제품 등 다양한 분야에 응용 가능 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 기능성복합소재연구센터 선임연구원 손동익 박사, 전북대학교 김학용 교수 공동 연구팀은 손상되어 쓰지 못하게 된 소재를 재활용하여 탄소 방적 직물을 제작하고, 리튬이온 이차전지 소재로 적용했다고 밝혔다. 웨어러블 전자 기기에서 필수적 구성요소 중 하나인 유연한 전극은 수 많은 연구들을 통해 다양한 소재들이 적용되어 왔다. 하지만 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 재활용하였다. 기존의 면섬유 제조 기술인 방적 공정을 통해 실 형태(방적사**)로 만든 뒤, 편직 공정을 통해 면섬유(방적 직물)로 만들었다. 그 후 안정화 및 탄화 공정을 거쳐 최종적으로 탄소 방적사와 탄소 방적 직물을 제조하였다. *Oxi-PAN 섬유(Oxidized PolyAcryloNitrile) : 내염화(anti-flammable) 섬유로써 유연성이 뛰어나 방적, 직포, 부직포 가공이 용이하고 내약품성, 내열성이 우수한 섬유 **방적사 : 면이나 양털과 같이 길이가 짧은 섬유, 단섬유를 방적한 실의 총칭 연구팀이 만든 탄소 소재는 버려지는 섬유를 재활용하고, 기존의 섬유 제조기술을 적용했기 때문에, 저렴하게 제조할 수 있어 상용화될 가능성이 매우 크다. 연구진은 이 소재를 스마트 의류에 적용 가능한 탄소 의류와 탄소 장갑으로 제조하였다. 실험을 통해 10,000번 이상 반복적으로 접거나 구겨도 형태나 전기전도도가 유지되며 세탁 또한 가능할 만큼 물리 화학적으로도 안정적인 것을 확인했다. KIST 연구진은 한발 더 나아가 제조한 탄소 소재가 이차전지의 소재로 활용하기에 최적화된 구조임을 확인하고, 이차전지의 전극의 필수소재인 집전체***로 활용하였다. 적용된 탄소섬유 집전체는 기존의 알루미늄 집전체 대비 낮은 저항값과 향상된 성능을 나타냈다. 특히, 1,200번 이상의 굽힘 테스트에도 초기 대비 90%이상의 용량을 유지하였으며, 탄소 방적 직물로 제작한 전극은 수차례의 충·방전 테스트에도 우수한 성능을 보였다. 파우치형 리튬이온 이차전지는 자유롭게 변형이 가능하며, 우수한 안정성 및 유연성을 나타내었다. ***집전체 : 이차전지 구조 소재 중에서 전기 저항이 낮으며, 충전과 방전 중에 활물질로 전류를 전달하거나 활물질에서 전류를 전달하도록 하는 구조체 KIST 손동익 박사는 “세탁 가능하고, 구겨지고, 비틀어도 원상복원이 가능한 저가의 탄소 방적 직물 개발은 에너지 저장 소재로의 응용뿐만 아니라 유연한 전자소재, 환경 소재 등 다양한 곳에 널리 응용이 가능할 것으로 생각된다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구사업 및 국가과학기술연구회 창의융합연구사업으로 수행되었다. 전북대학교와의 공동연구로 진행된 이번 연구결과는 소재 분야 국제 저널인 ‘Composites Part B : Engineering’ (IF: 6.864, JCR 분야 상위 2.00%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Versatile 3D porous recycled carbon garments with fully-loaded active materials in the current collector for advanced lithium-ion batteries - (제 1저자) National Research Council Canada(NRC) 조현진 박사 - (제 1저자) 한국기초과학지원연구원(KBSI) 김연호 박사 - (제 1저자, 교신저자) 한국과학기술연구원 손동익 선임연구원 - (교신저자) 전북대학교 김학용 교수 <그림설명> [그림 1] Oxi-PAN 방적사 제조부터 전도성 탄소 편직물의 제조 및 에너지 저장장치로의 응용 a. Oxi-PAN 단섬유. b. 방적사 공정에 의해 제조된 옥시-팬 방적 섬유. c. 편직 공정에 의해 제조된 Oxi-PAN 방적 직물, 티셔츠 및 장갑. d. 탄화 공정을 이용한 탄소방적직물, 탄소 의류 및 탄소 장갑의 제조. e. 전도성 탄소 의류(티셔츠) 및 탄소 장갑 제작, 그리고, 탄소방적직물을 사용한 방열판 및 히터 적용. f. 탄소방적직물을 열 보호소재로 응용. g. 3차원 다공성 구조를 갖는 탄소방적직물을 이용해 에너지 저장 장치 중 코인 셀 및 파우치 셀에 적용. [그림 2] 탄소방적직물(CSF)의 반복된 저항 테스트, 탄소방적직물의 열 확산 측정과 히터 응용 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트 사진. b 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트동안의 저항 자료 사진. c 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트 동안의 변화된 분석 자료 사진. d 굳힘과 늘어남에 대한 변화 동안의 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향(Course)) 실험 사진. e 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC) over time (120 s, 1 to 6 V) 의 열분석 자료. f 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC) over time (600 s, 1 to 6 V) 의 반복된 열분석 자료. g, h, i 1100도에 탄화된 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향 (Course))의 가해진 전압 (1 V, 3.75 V, and 6 V)의 사진. j, k 굳힘 테스트 동안의 전압 (3.6 V and 3.8 V)에 가해진 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향 (Course), 1100 oC) 사진. [그림 3] 탄소방적직물(CSF)의 이론적 열 확산 계산, 열 분산, 단열 및 안정성 실험 a, b 기본 세로방향 직물 (course standard)과 세로방향 직물 늘어남 (course stretching (40%))의 주사전자현미경 (SEM) 이미지. c, d 세로 방향(course) 탄소방적직물 (표준 (0 %) 및 연신 (40 %))의 finite element analysis (FEA)에서 Joule heating 시뮬레이션 자료 이미지와 탄소방적직물의 모델링 및 시뮬레이션과 실험 간의 온도 비교. e 웨어러블 전자기기용 전극으로서 유연하고 구겨진 접히고 뒤틀린 탄소방적직물 (CSF) 사진. f 탄소방적직물의 단열 시험 사진. g A-D 적외선 열화상 카메라으로 부터 열 분석 데이터와 함께 방열판으로서 상용 Cu 호일과 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC)의 LED 전기 회로 사진. [그림 4] 리튬 이온 베터리를 적용하기 위한 LiFePO4/탄소 직물 복합재의 분석 a 코인 셀의 개략도. b 코인 셀에 적용된 탄소방적직물 (CSF) (pristine) 및 CSF/LFP 합성물의 도식도. c 3 차원 다공성 구조 (top image, A)를 가진 유일한 CSF (pristine)의 비파괴 3D X-ray Microscopes (XRM)의 가상 단면 사진. 충 방전 Nc = 200 후 CSF/LFP 복합체 구조의 가상 단면 사진 (bottom image, B). d 충전/방전 후 CSF/LFP 복합체의 총 면적을 나타내는 XRM 이미지 (Nc = 200). e CSF를 제외한 LFP 활물질의 면적 계산. f LFP 활물질 및 CSF를 제외한 기공 면적. SEM-AFM (KPFM)에 의한 CSF/LFP 복합체의 구조 및 전기 분석. g 충전/방전 전에 CSF/LFP 복합체에 접근하는 AFM 팁의 SEM 이미지. h, i Surface topography 및 충전/방전 이전의 Surface potential 데이터, 스캔 크기 1.5 μm × 1.5 μm. j 충전/방전 Nc = 200 주기 후 샘플에 접근하는 AFM 팁의 SEM 이미지. k, l Surface topography 과 충전/방전 사이클 후 Surface potential 데이터, 스캔 크기 1.5 μm × 1.5 μm. [그림 5] 카본섬유를 집전체로 적용한 플렉서블 리튬이차전지 특성 (a-d) 플렉서블 카본섬유가 집전체로 적용된 리튬이차전지의 코인셀 특성 (e-g) 형태의 변형이 가능한 파우치 형태로 제작된 리튬이차전지의 굽힘 및 전지 특성.

- 반복적인 세탁, 구부림에도 물리 화학적으로 안정적인 저가의 탄소 직물 개발 - 에너지 저장 소재, 차세대 웨어러블 제품 등 다양한 분야에 응용 가능 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 기능성복합소재연구센터 선임연구원 손동익 박사, 전북대학교 김학용 교수 공동 연구팀은 손상되어 쓰지 못하게 된 소재를 재활용하여 탄소 방적 직물을 제작하고, 리튬이온 이차전지 소재로 적용했다고 밝혔다. 웨어러블 전자 기기에서 필수적 구성요소 중 하나인 유연한 전극은 수 많은 연구들을 통해 다양한 소재들이 적용되어 왔다. 하지만 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 재활용하였다. 기존의 면섬유 제조 기술인 방적 공정을 통해 실 형태(방적사**)로 만든 뒤, 편직 공정을 통해 면섬유(방적 직물)로 만들었다. 그 후 안정화 및 탄화 공정을 거쳐 최종적으로 탄소 방적사와 탄소 방적 직물을 제조하였다. *Oxi-PAN 섬유(Oxidized PolyAcryloNitrile) : 내염화(anti-flammable) 섬유로써 유연성이 뛰어나 방적, 직포, 부직포 가공이 용이하고 내약품성, 내열성이 우수한 섬유 **방적사 : 면이나 양털과 같이 길이가 짧은 섬유, 단섬유를 방적한 실의 총칭 연구팀이 만든 탄소 소재는 버려지는 섬유를 재활용하고, 기존의 섬유 제조기술을 적용했기 때문에, 저렴하게 제조할 수 있어 상용화될 가능성이 매우 크다. 연구진은 이 소재를 스마트 의류에 적용 가능한 탄소 의류와 탄소 장갑으로 제조하였다. 실험을 통해 10,000번 이상 반복적으로 접거나 구겨도 형태나 전기전도도가 유지되며 세탁 또한 가능할 만큼 물리 화학적으로도 안정적인 것을 확인했다. KIST 연구진은 한발 더 나아가 제조한 탄소 소재가 이차전지의 소재로 활용하기에 최적화된 구조임을 확인하고, 이차전지의 전극의 필수소재인 집전체***로 활용하였다. 적용된 탄소섬유 집전체는 기존의 알루미늄 집전체 대비 낮은 저항값과 향상된 성능을 나타냈다. 특히, 1,200번 이상의 굽힘 테스트에도 초기 대비 90%이상의 용량을 유지하였으며, 탄소 방적 직물로 제작한 전극은 수차례의 충·방전 테스트에도 우수한 성능을 보였다. 파우치형 리튬이온 이차전지는 자유롭게 변형이 가능하며, 우수한 안정성 및 유연성을 나타내었다. ***집전체 : 이차전지 구조 소재 중에서 전기 저항이 낮으며, 충전과 방전 중에 활물질로 전류를 전달하거나 활물질에서 전류를 전달하도록 하는 구조체 KIST 손동익 박사는 “세탁 가능하고, 구겨지고, 비틀어도 원상복원이 가능한 저가의 탄소 방적 직물 개발은 에너지 저장 소재로의 응용뿐만 아니라 유연한 전자소재, 환경 소재 등 다양한 곳에 널리 응용이 가능할 것으로 생각된다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구사업 및 국가과학기술연구회 창의융합연구사업으로 수행되었다. 전북대학교와의 공동연구로 진행된 이번 연구결과는 소재 분야 국제 저널인 ‘Composites Part B : Engineering’ (IF: 6.864, JCR 분야 상위 2.00%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Versatile 3D porous recycled carbon garments with fully-loaded active materials in the current collector for advanced lithium-ion batteries - (제 1저자) National Research Council Canada(NRC) 조현진 박사 - (제 1저자) 한국기초과학지원연구원(KBSI) 김연호 박사 - (제 1저자, 교신저자) 한국과학기술연구원 손동익 선임연구원 - (교신저자) 전북대학교 김학용 교수 <그림설명> [그림 1] Oxi-PAN 방적사 제조부터 전도성 탄소 편직물의 제조 및 에너지 저장장치로의 응용 a. Oxi-PAN 단섬유. b. 방적사 공정에 의해 제조된 옥시-팬 방적 섬유. c. 편직 공정에 의해 제조된 Oxi-PAN 방적 직물, 티셔츠 및 장갑. d. 탄화 공정을 이용한 탄소방적직물, 탄소 의류 및 탄소 장갑의 제조. e. 전도성 탄소 의류(티셔츠) 및 탄소 장갑 제작, 그리고, 탄소방적직물을 사용한 방열판 및 히터 적용. f. 탄소방적직물을 열 보호소재로 응용. g. 3차원 다공성 구조를 갖는 탄소방적직물을 이용해 에너지 저장 장치 중 코인 셀 및 파우치 셀에 적용. [그림 2] 탄소방적직물(CSF)의 반복된 저항 테스트, 탄소방적직물의 열 확산 측정과 히터 응용 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트 사진. b 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트동안의 저항 자료 사진. c 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트 동안의 변화된 분석 자료 사진. d 굳힘과 늘어남에 대한 변화 동안의 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향(Course)) 실험 사진. e 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC) over time (120 s, 1 to 6 V) 의 열분석 자료. f 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC) over time (600 s, 1 to 6 V) 의 반복된 열분석 자료. g, h, i 1100도에 탄화된 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향 (Course))의 가해진 전압 (1 V, 3.75 V, and 6 V)의 사진. j, k 굳힘 테스트 동안의 전압 (3.6 V and 3.8 V)에 가해진 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향 (Course), 1100 oC) 사진. [그림 3] 탄소방적직물(CSF)의 이론적 열 확산 계산, 열 분산, 단열 및 안정성 실험 a, b 기본 세로방향 직물 (course standard)과 세로방향 직물 늘어남 (course stretching (40%))의 주사전자현미경 (SEM) 이미지. c, d 세로 방향(course) 탄소방적직물 (표준 (0 %) 및 연신 (40 %))의 finite element analysis (FEA)에서 Joule heating 시뮬레이션 자료 이미지와 탄소방적직물의 모델링 및 시뮬레이션과 실험 간의 온도 비교. e 웨어러블 전자기기용 전극으로서 유연하고 구겨진 접히고 뒤틀린 탄소방적직물 (CSF) 사진. f 탄소방적직물의 단열 시험 사진. g A-D 적외선 열화상 카메라으로 부터 열 분석 데이터와 함께 방열판으로서 상용 Cu 호일과 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC)의 LED 전기 회로 사진. [그림 4] 리튬 이온 베터리를 적용하기 위한 LiFePO4/탄소 직물 복합재의 분석 a 코인 셀의 개략도. b 코인 셀에 적용된 탄소방적직물 (CSF) (pristine) 및 CSF/LFP 합성물의 도식도. c 3 차원 다공성 구조 (top image, A)를 가진 유일한 CSF (pristine)의 비파괴 3D X-ray Microscopes (XRM)의 가상 단면 사진. 충 방전 Nc = 200 후 CSF/LFP 복합체 구조의 가상 단면 사진 (bottom image, B). d 충전/방전 후 CSF/LFP 복합체의 총 면적을 나타내는 XRM 이미지 (Nc = 200). e CSF를 제외한 LFP 활물질의 면적 계산. f LFP 활물질 및 CSF를 제외한 기공 면적. SEM-AFM (KPFM)에 의한 CSF/LFP 복합체의 구조 및 전기 분석. g 충전/방전 전에 CSF/LFP 복합체에 접근하는 AFM 팁의 SEM 이미지. h, i Surface topography 및 충전/방전 이전의 Surface potential 데이터, 스캔 크기 1.5 μm × 1.5 μm. j 충전/방전 Nc = 200 주기 후 샘플에 접근하는 AFM 팁의 SEM 이미지. k, l Surface topography 과 충전/방전 사이클 후 Surface potential 데이터, 스캔 크기 1.5 μm × 1.5 μm. [그림 5] 카본섬유를 집전체로 적용한 플렉서블 리튬이차전지 특성 (a-d) 플렉서블 카본섬유가 집전체로 적용된 리튬이차전지의 코인셀 특성 (e-g) 형태의 변형이 가능한 파우치 형태로 제작된 리튬이차전지의 굽힘 및 전지 특성.

- 반복적인 세탁, 구부림에도 물리 화학적으로 안정적인 저가의 탄소 직물 개발 - 에너지 저장 소재, 차세대 웨어러블 제품 등 다양한 분야에 응용 가능 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 기능성복합소재연구센터 선임연구원 손동익 박사, 전북대학교 김학용 교수 공동 연구팀은 손상되어 쓰지 못하게 된 소재를 재활용하여 탄소 방적 직물을 제작하고, 리튬이온 이차전지 소재로 적용했다고 밝혔다. 웨어러블 전자 기기에서 필수적 구성요소 중 하나인 유연한 전극은 수 많은 연구들을 통해 다양한 소재들이 적용되어 왔다. 하지만 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 재활용하였다. 기존의 면섬유 제조 기술인 방적 공정을 통해 실 형태(방적사**)로 만든 뒤, 편직 공정을 통해 면섬유(방적 직물)로 만들었다. 그 후 안정화 및 탄화 공정을 거쳐 최종적으로 탄소 방적사와 탄소 방적 직물을 제조하였다. *Oxi-PAN 섬유(Oxidized PolyAcryloNitrile) : 내염화(anti-flammable) 섬유로써 유연성이 뛰어나 방적, 직포, 부직포 가공이 용이하고 내약품성, 내열성이 우수한 섬유 **방적사 : 면이나 양털과 같이 길이가 짧은 섬유, 단섬유를 방적한 실의 총칭 연구팀이 만든 탄소 소재는 버려지는 섬유를 재활용하고, 기존의 섬유 제조기술을 적용했기 때문에, 저렴하게 제조할 수 있어 상용화될 가능성이 매우 크다. 연구진은 이 소재를 스마트 의류에 적용 가능한 탄소 의류와 탄소 장갑으로 제조하였다. 실험을 통해 10,000번 이상 반복적으로 접거나 구겨도 형태나 전기전도도가 유지되며 세탁 또한 가능할 만큼 물리 화학적으로도 안정적인 것을 확인했다. KIST 연구진은 한발 더 나아가 제조한 탄소 소재가 이차전지의 소재로 활용하기에 최적화된 구조임을 확인하고, 이차전지의 전극의 필수소재인 집전체***로 활용하였다. 적용된 탄소섬유 집전체는 기존의 알루미늄 집전체 대비 낮은 저항값과 향상된 성능을 나타냈다. 특히, 1,200번 이상의 굽힘 테스트에도 초기 대비 90%이상의 용량을 유지하였으며, 탄소 방적 직물로 제작한 전극은 수차례의 충·방전 테스트에도 우수한 성능을 보였다. 파우치형 리튬이온 이차전지는 자유롭게 변형이 가능하며, 우수한 안정성 및 유연성을 나타내었다. ***집전체 : 이차전지 구조 소재 중에서 전기 저항이 낮으며, 충전과 방전 중에 활물질로 전류를 전달하거나 활물질에서 전류를 전달하도록 하는 구조체 KIST 손동익 박사는 “세탁 가능하고, 구겨지고, 비틀어도 원상복원이 가능한 저가의 탄소 방적 직물 개발은 에너지 저장 소재로의 응용뿐만 아니라 유연한 전자소재, 환경 소재 등 다양한 곳에 널리 응용이 가능할 것으로 생각된다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구사업 및 국가과학기술연구회 창의융합연구사업으로 수행되었다. 전북대학교와의 공동연구로 진행된 이번 연구결과는 소재 분야 국제 저널인 ‘Composites Part B : Engineering’ (IF: 6.864, JCR 분야 상위 2.00%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Versatile 3D porous recycled carbon garments with fully-loaded active materials in the current collector for advanced lithium-ion batteries - (제 1저자) National Research Council Canada(NRC) 조현진 박사 - (제 1저자) 한국기초과학지원연구원(KBSI) 김연호 박사 - (제 1저자, 교신저자) 한국과학기술연구원 손동익 선임연구원 - (교신저자) 전북대학교 김학용 교수 <그림설명> [그림 1] Oxi-PAN 방적사 제조부터 전도성 탄소 편직물의 제조 및 에너지 저장장치로의 응용 a. Oxi-PAN 단섬유. b. 방적사 공정에 의해 제조된 옥시-팬 방적 섬유. c. 편직 공정에 의해 제조된 Oxi-PAN 방적 직물, 티셔츠 및 장갑. d. 탄화 공정을 이용한 탄소방적직물, 탄소 의류 및 탄소 장갑의 제조. e. 전도성 탄소 의류(티셔츠) 및 탄소 장갑 제작, 그리고, 탄소방적직물을 사용한 방열판 및 히터 적용. f. 탄소방적직물을 열 보호소재로 응용. g. 3차원 다공성 구조를 갖는 탄소방적직물을 이용해 에너지 저장 장치 중 코인 셀 및 파우치 셀에 적용. [그림 2] 탄소방적직물(CSF)의 반복된 저항 테스트, 탄소방적직물의 열 확산 측정과 히터 응용 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트 사진. b 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트동안의 저항 자료 사진. c 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트 동안의 변화된 분석 자료 사진. d 굳힘과 늘어남에 대한 변화 동안의 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향(Course)) 실험 사진. e 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC) over time (120 s, 1 to 6 V) 의 열분석 자료. f 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC) over time (600 s, 1 to 6 V) 의 반복된 열분석 자료. g, h, i 1100도에 탄화된 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향 (Course))의 가해진 전압 (1 V, 3.75 V, and 6 V)의 사진. j, k 굳힘 테스트 동안의 전압 (3.6 V and 3.8 V)에 가해진 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향 (Course), 1100 oC) 사진. [그림 3] 탄소방적직물(CSF)의 이론적 열 확산 계산, 열 분산, 단열 및 안정성 실험 a, b 기본 세로방향 직물 (course standard)과 세로방향 직물 늘어남 (course stretching (40%))의 주사전자현미경 (SEM) 이미지. c, d 세로 방향(course) 탄소방적직물 (표준 (0 %) 및 연신 (40 %))의 finite element analysis (FEA)에서 Joule heating 시뮬레이션 자료 이미지와 탄소방적직물의 모델링 및 시뮬레이션과 실험 간의 온도 비교. e 웨어러블 전자기기용 전극으로서 유연하고 구겨진 접히고 뒤틀린 탄소방적직물 (CSF) 사진. f 탄소방적직물의 단열 시험 사진. g A-D 적외선 열화상 카메라으로 부터 열 분석 데이터와 함께 방열판으로서 상용 Cu 호일과 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC)의 LED 전기 회로 사진. [그림 4] 리튬 이온 베터리를 적용하기 위한 LiFePO4/탄소 직물 복합재의 분석 a 코인 셀의 개략도. b 코인 셀에 적용된 탄소방적직물 (CSF) (pristine) 및 CSF/LFP 합성물의 도식도. c 3 차원 다공성 구조 (top image, A)를 가진 유일한 CSF (pristine)의 비파괴 3D X-ray Microscopes (XRM)의 가상 단면 사진. 충 방전 Nc = 200 후 CSF/LFP 복합체 구조의 가상 단면 사진 (bottom image, B). d 충전/방전 후 CSF/LFP 복합체의 총 면적을 나타내는 XRM 이미지 (Nc = 200). e CSF를 제외한 LFP 활물질의 면적 계산. f LFP 활물질 및 CSF를 제외한 기공 면적. SEM-AFM (KPFM)에 의한 CSF/LFP 복합체의 구조 및 전기 분석. g 충전/방전 전에 CSF/LFP 복합체에 접근하는 AFM 팁의 SEM 이미지. h, i Surface topography 및 충전/방전 이전의 Surface potential 데이터, 스캔 크기 1.5 μm × 1.5 μm. j 충전/방전 Nc = 200 주기 후 샘플에 접근하는 AFM 팁의 SEM 이미지. k, l Surface topography 과 충전/방전 사이클 후 Surface potential 데이터, 스캔 크기 1.5 μm × 1.5 μm. [그림 5] 카본섬유를 집전체로 적용한 플렉서블 리튬이차전지 특성 (a-d) 플렉서블 카본섬유가 집전체로 적용된 리튬이차전지의 코인셀 특성 (e-g) 형태의 변형이 가능한 파우치 형태로 제작된 리튬이차전지의 굽힘 및 전지 특성.

- 반복적인 세탁, 구부림에도 물리 화학적으로 안정적인 저가의 탄소 직물 개발 - 에너지 저장 소재, 차세대 웨어러블 제품 등 다양한 분야에 응용 가능 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 기능성복합소재연구센터 선임연구원 손동익 박사, 전북대학교 김학용 교수 공동 연구팀은 손상되어 쓰지 못하게 된 소재를 재활용하여 탄소 방적 직물을 제작하고, 리튬이온 이차전지 소재로 적용했다고 밝혔다. 웨어러블 전자 기기에서 필수적 구성요소 중 하나인 유연한 전극은 수 많은 연구들을 통해 다양한 소재들이 적용되어 왔다. 하지만 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 재활용하였다. 기존의 면섬유 제조 기술인 방적 공정을 통해 실 형태(방적사**)로 만든 뒤, 편직 공정을 통해 면섬유(방적 직물)로 만들었다. 그 후 안정화 및 탄화 공정을 거쳐 최종적으로 탄소 방적사와 탄소 방적 직물을 제조하였다. *Oxi-PAN 섬유(Oxidized PolyAcryloNitrile) : 내염화(anti-flammable) 섬유로써 유연성이 뛰어나 방적, 직포, 부직포 가공이 용이하고 내약품성, 내열성이 우수한 섬유 **방적사 : 면이나 양털과 같이 길이가 짧은 섬유, 단섬유를 방적한 실의 총칭 연구팀이 만든 탄소 소재는 버려지는 섬유를 재활용하고, 기존의 섬유 제조기술을 적용했기 때문에, 저렴하게 제조할 수 있어 상용화될 가능성이 매우 크다. 연구진은 이 소재를 스마트 의류에 적용 가능한 탄소 의류와 탄소 장갑으로 제조하였다. 실험을 통해 10,000번 이상 반복적으로 접거나 구겨도 형태나 전기전도도가 유지되며 세탁 또한 가능할 만큼 물리 화학적으로도 안정적인 것을 확인했다. KIST 연구진은 한발 더 나아가 제조한 탄소 소재가 이차전지의 소재로 활용하기에 최적화된 구조임을 확인하고, 이차전지의 전극의 필수소재인 집전체***로 활용하였다. 적용된 탄소섬유 집전체는 기존의 알루미늄 집전체 대비 낮은 저항값과 향상된 성능을 나타냈다. 특히, 1,200번 이상의 굽힘 테스트에도 초기 대비 90%이상의 용량을 유지하였으며, 탄소 방적 직물로 제작한 전극은 수차례의 충·방전 테스트에도 우수한 성능을 보였다. 파우치형 리튬이온 이차전지는 자유롭게 변형이 가능하며, 우수한 안정성 및 유연성을 나타내었다. ***집전체 : 이차전지 구조 소재 중에서 전기 저항이 낮으며, 충전과 방전 중에 활물질로 전류를 전달하거나 활물질에서 전류를 전달하도록 하는 구조체 KIST 손동익 박사는 “세탁 가능하고, 구겨지고, 비틀어도 원상복원이 가능한 저가의 탄소 방적 직물 개발은 에너지 저장 소재로의 응용뿐만 아니라 유연한 전자소재, 환경 소재 등 다양한 곳에 널리 응용이 가능할 것으로 생각된다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구사업 및 국가과학기술연구회 창의융합연구사업으로 수행되었다. 전북대학교와의 공동연구로 진행된 이번 연구결과는 소재 분야 국제 저널인 ‘Composites Part B : Engineering’ (IF: 6.864, JCR 분야 상위 2.00%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Versatile 3D porous recycled carbon garments with fully-loaded active materials in the current collector for advanced lithium-ion batteries - (제 1저자) National Research Council Canada(NRC) 조현진 박사 - (제 1저자) 한국기초과학지원연구원(KBSI) 김연호 박사 - (제 1저자, 교신저자) 한국과학기술연구원 손동익 선임연구원 - (교신저자) 전북대학교 김학용 교수 <그림설명> [그림 1] Oxi-PAN 방적사 제조부터 전도성 탄소 편직물의 제조 및 에너지 저장장치로의 응용 a. Oxi-PAN 단섬유. b. 방적사 공정에 의해 제조된 옥시-팬 방적 섬유. c. 편직 공정에 의해 제조된 Oxi-PAN 방적 직물, 티셔츠 및 장갑. d. 탄화 공정을 이용한 탄소방적직물, 탄소 의류 및 탄소 장갑의 제조. e. 전도성 탄소 의류(티셔츠) 및 탄소 장갑 제작, 그리고, 탄소방적직물을 사용한 방열판 및 히터 적용. f. 탄소방적직물을 열 보호소재로 응용. g. 3차원 다공성 구조를 갖는 탄소방적직물을 이용해 에너지 저장 장치 중 코인 셀 및 파우치 셀에 적용. [그림 2] 탄소방적직물(CSF)의 반복된 저항 테스트, 탄소방적직물의 열 확산 측정과 히터 응용 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트 사진. b 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트동안의 저항 자료 사진. c 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트 동안의 변화된 분석 자료 사진. d 굳힘과 늘어남에 대한 변화 동안의 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향(Course)) 실험 사진. e 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC) over time (120 s, 1 to 6 V) 의 열분석 자료. f 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC) over time (600 s, 1 to 6 V) 의 반복된 열분석 자료. g, h, i 1100도에 탄화된 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향 (Course))의 가해진 전압 (1 V, 3.75 V, and 6 V)의 사진. j, k 굳힘 테스트 동안의 전압 (3.6 V and 3.8 V)에 가해진 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향 (Course), 1100 oC) 사진. [그림 3] 탄소방적직물(CSF)의 이론적 열 확산 계산, 열 분산, 단열 및 안정성 실험 a, b 기본 세로방향 직물 (course standard)과 세로방향 직물 늘어남 (course stretching (40%))의 주사전자현미경 (SEM) 이미지. c, d 세로 방향(course) 탄소방적직물 (표준 (0 %) 및 연신 (40 %))의 finite element analysis (FEA)에서 Joule heating 시뮬레이션 자료 이미지와 탄소방적직물의 모델링 및 시뮬레이션과 실험 간의 온도 비교. e 웨어러블 전자기기용 전극으로서 유연하고 구겨진 접히고 뒤틀린 탄소방적직물 (CSF) 사진. f 탄소방적직물의 단열 시험 사진. g A-D 적외선 열화상 카메라으로 부터 열 분석 데이터와 함께 방열판으로서 상용 Cu 호일과 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC)의 LED 전기 회로 사진. [그림 4] 리튬 이온 베터리를 적용하기 위한 LiFePO4/탄소 직물 복합재의 분석 a 코인 셀의 개략도. b 코인 셀에 적용된 탄소방적직물 (CSF) (pristine) 및 CSF/LFP 합성물의 도식도. c 3 차원 다공성 구조 (top image, A)를 가진 유일한 CSF (pristine)의 비파괴 3D X-ray Microscopes (XRM)의 가상 단면 사진. 충 방전 Nc = 200 후 CSF/LFP 복합체 구조의 가상 단면 사진 (bottom image, B). d 충전/방전 후 CSF/LFP 복합체의 총 면적을 나타내는 XRM 이미지 (Nc = 200). e CSF를 제외한 LFP 활물질의 면적 계산. f LFP 활물질 및 CSF를 제외한 기공 면적. SEM-AFM (KPFM)에 의한 CSF/LFP 복합체의 구조 및 전기 분석. g 충전/방전 전에 CSF/LFP 복합체에 접근하는 AFM 팁의 SEM 이미지. h, i Surface topography 및 충전/방전 이전의 Surface potential 데이터, 스캔 크기 1.5 μm × 1.5 μm. j 충전/방전 Nc = 200 주기 후 샘플에 접근하는 AFM 팁의 SEM 이미지. k, l Surface topography 과 충전/방전 사이클 후 Surface potential 데이터, 스캔 크기 1.5 μm × 1.5 μm. [그림 5] 카본섬유를 집전체로 적용한 플렉서블 리튬이차전지 특성 (a-d) 플렉서블 카본섬유가 집전체로 적용된 리튬이차전지의 코인셀 특성 (e-g) 형태의 변형이 가능한 파우치 형태로 제작된 리튬이차전지의 굽힘 및 전지 특성.

- 반복적인 세탁, 구부림에도 물리 화학적으로 안정적인 저가의 탄소 직물 개발 - 에너지 저장 소재, 차세대 웨어러블 제품 등 다양한 분야에 응용 가능 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 기능성복합소재연구센터 선임연구원 손동익 박사, 전북대학교 김학용 교수 공동 연구팀은 손상되어 쓰지 못하게 된 소재를 재활용하여 탄소 방적 직물을 제작하고, 리튬이온 이차전지 소재로 적용했다고 밝혔다. 웨어러블 전자 기기에서 필수적 구성요소 중 하나인 유연한 전극은 수 많은 연구들을 통해 다양한 소재들이 적용되어 왔다. 하지만 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 재활용하였다. 기존의 면섬유 제조 기술인 방적 공정을 통해 실 형태(방적사**)로 만든 뒤, 편직 공정을 통해 면섬유(방적 직물)로 만들었다. 그 후 안정화 및 탄화 공정을 거쳐 최종적으로 탄소 방적사와 탄소 방적 직물을 제조하였다. *Oxi-PAN 섬유(Oxidized PolyAcryloNitrile) : 내염화(anti-flammable) 섬유로써 유연성이 뛰어나 방적, 직포, 부직포 가공이 용이하고 내약품성, 내열성이 우수한 섬유 **방적사 : 면이나 양털과 같이 길이가 짧은 섬유, 단섬유를 방적한 실의 총칭 연구팀이 만든 탄소 소재는 버려지는 섬유를 재활용하고, 기존의 섬유 제조기술을 적용했기 때문에, 저렴하게 제조할 수 있어 상용화될 가능성이 매우 크다. 연구진은 이 소재를 스마트 의류에 적용 가능한 탄소 의류와 탄소 장갑으로 제조하였다. 실험을 통해 10,000번 이상 반복적으로 접거나 구겨도 형태나 전기전도도가 유지되며 세탁 또한 가능할 만큼 물리 화학적으로도 안정적인 것을 확인했다. KIST 연구진은 한발 더 나아가 제조한 탄소 소재가 이차전지의 소재로 활용하기에 최적화된 구조임을 확인하고, 이차전지의 전극의 필수소재인 집전체***로 활용하였다. 적용된 탄소섬유 집전체는 기존의 알루미늄 집전체 대비 낮은 저항값과 향상된 성능을 나타냈다. 특히, 1,200번 이상의 굽힘 테스트에도 초기 대비 90%이상의 용량을 유지하였으며, 탄소 방적 직물로 제작한 전극은 수차례의 충·방전 테스트에도 우수한 성능을 보였다. 파우치형 리튬이온 이차전지는 자유롭게 변형이 가능하며, 우수한 안정성 및 유연성을 나타내었다. ***집전체 : 이차전지 구조 소재 중에서 전기 저항이 낮으며, 충전과 방전 중에 활물질로 전류를 전달하거나 활물질에서 전류를 전달하도록 하는 구조체 KIST 손동익 박사는 “세탁 가능하고, 구겨지고, 비틀어도 원상복원이 가능한 저가의 탄소 방적 직물 개발은 에너지 저장 소재로의 응용뿐만 아니라 유연한 전자소재, 환경 소재 등 다양한 곳에 널리 응용이 가능할 것으로 생각된다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구사업 및 국가과학기술연구회 창의융합연구사업으로 수행되었다. 전북대학교와의 공동연구로 진행된 이번 연구결과는 소재 분야 국제 저널인 ‘Composites Part B : Engineering’ (IF: 6.864, JCR 분야 상위 2.00%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Versatile 3D porous recycled carbon garments with fully-loaded active materials in the current collector for advanced lithium-ion batteries - (제 1저자) National Research Council Canada(NRC) 조현진 박사 - (제 1저자) 한국기초과학지원연구원(KBSI) 김연호 박사 - (제 1저자, 교신저자) 한국과학기술연구원 손동익 선임연구원 - (교신저자) 전북대학교 김학용 교수 <그림설명> [그림 1] Oxi-PAN 방적사 제조부터 전도성 탄소 편직물의 제조 및 에너지 저장장치로의 응용 a. Oxi-PAN 단섬유. b. 방적사 공정에 의해 제조된 옥시-팬 방적 섬유. c. 편직 공정에 의해 제조된 Oxi-PAN 방적 직물, 티셔츠 및 장갑. d. 탄화 공정을 이용한 탄소방적직물, 탄소 의류 및 탄소 장갑의 제조. e. 전도성 탄소 의류(티셔츠) 및 탄소 장갑 제작, 그리고, 탄소방적직물을 사용한 방열판 및 히터 적용. f. 탄소방적직물을 열 보호소재로 응용. g. 3차원 다공성 구조를 갖는 탄소방적직물을 이용해 에너지 저장 장치 중 코인 셀 및 파우치 셀에 적용. [그림 2] 탄소방적직물(CSF)의 반복된 저항 테스트, 탄소방적직물의 열 확산 측정과 히터 응용 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트 사진. b 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트동안의 저항 자료 사진. c 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트 동안의 변화된 분석 자료 사진. d 굳힘과 늘어남에 대한 변화 동안의 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향(Course)) 실험 사진. e 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC) over time (120 s, 1 to 6 V) 의 열분석 자료. f 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC) over time (600 s, 1 to 6 V) 의 반복된 열분석 자료. g, h, i 1100도에 탄화된 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향 (Course))의 가해진 전압 (1 V, 3.75 V, and 6 V)의 사진. j, k 굳힘 테스트 동안의 전압 (3.6 V and 3.8 V)에 가해진 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향 (Course), 1100 oC) 사진. [그림 3] 탄소방적직물(CSF)의 이론적 열 확산 계산, 열 분산, 단열 및 안정성 실험 a, b 기본 세로방향 직물 (course standard)과 세로방향 직물 늘어남 (course stretching (40%))의 주사전자현미경 (SEM) 이미지. c, d 세로 방향(course) 탄소방적직물 (표준 (0 %) 및 연신 (40 %))의 finite element analysis (FEA)에서 Joule heating 시뮬레이션 자료 이미지와 탄소방적직물의 모델링 및 시뮬레이션과 실험 간의 온도 비교. e 웨어러블 전자기기용 전극으로서 유연하고 구겨진 접히고 뒤틀린 탄소방적직물 (CSF) 사진. f 탄소방적직물의 단열 시험 사진. g A-D 적외선 열화상 카메라으로 부터 열 분석 데이터와 함께 방열판으로서 상용 Cu 호일과 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC)의 LED 전기 회로 사진. [그림 4] 리튬 이온 베터리를 적용하기 위한 LiFePO4/탄소 직물 복합재의 분석 a 코인 셀의 개략도. b 코인 셀에 적용된 탄소방적직물 (CSF) (pristine) 및 CSF/LFP 합성물의 도식도. c 3 차원 다공성 구조 (top image, A)를 가진 유일한 CSF (pristine)의 비파괴 3D X-ray Microscopes (XRM)의 가상 단면 사진. 충 방전 Nc = 200 후 CSF/LFP 복합체 구조의 가상 단면 사진 (bottom image, B). d 충전/방전 후 CSF/LFP 복합체의 총 면적을 나타내는 XRM 이미지 (Nc = 200). e CSF를 제외한 LFP 활물질의 면적 계산. f LFP 활물질 및 CSF를 제외한 기공 면적. SEM-AFM (KPFM)에 의한 CSF/LFP 복합체의 구조 및 전기 분석. g 충전/방전 전에 CSF/LFP 복합체에 접근하는 AFM 팁의 SEM 이미지. h, i Surface topography 및 충전/방전 이전의 Surface potential 데이터, 스캔 크기 1.5 μm × 1.5 μm. j 충전/방전 Nc = 200 주기 후 샘플에 접근하는 AFM 팁의 SEM 이미지. k, l Surface topography 과 충전/방전 사이클 후 Surface potential 데이터, 스캔 크기 1.5 μm × 1.5 μm. [그림 5] 카본섬유를 집전체로 적용한 플렉서블 리튬이차전지 특성 (a-d) 플렉서블 카본섬유가 집전체로 적용된 리튬이차전지의 코인셀 특성 (e-g) 형태의 변형이 가능한 파우치 형태로 제작된 리튬이차전지의 굽힘 및 전지 특성.

- 반복적인 세탁, 구부림에도 물리 화학적으로 안정적인 저가의 탄소 직물 개발 - 에너지 저장 소재, 차세대 웨어러블 제품 등 다양한 분야에 응용 가능 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 기능성복합소재연구센터 선임연구원 손동익 박사, 전북대학교 김학용 교수 공동 연구팀은 손상되어 쓰지 못하게 된 소재를 재활용하여 탄소 방적 직물을 제작하고, 리튬이온 이차전지 소재로 적용했다고 밝혔다. 웨어러블 전자 기기에서 필수적 구성요소 중 하나인 유연한 전극은 수 많은 연구들을 통해 다양한 소재들이 적용되어 왔다. 하지만 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 재활용하였다. 기존의 면섬유 제조 기술인 방적 공정을 통해 실 형태(방적사**)로 만든 뒤, 편직 공정을 통해 면섬유(방적 직물)로 만들었다. 그 후 안정화 및 탄화 공정을 거쳐 최종적으로 탄소 방적사와 탄소 방적 직물을 제조하였다. *Oxi-PAN 섬유(Oxidized PolyAcryloNitrile) : 내염화(anti-flammable) 섬유로써 유연성이 뛰어나 방적, 직포, 부직포 가공이 용이하고 내약품성, 내열성이 우수한 섬유 **방적사 : 면이나 양털과 같이 길이가 짧은 섬유, 단섬유를 방적한 실의 총칭 연구팀이 만든 탄소 소재는 버려지는 섬유를 재활용하고, 기존의 섬유 제조기술을 적용했기 때문에, 저렴하게 제조할 수 있어 상용화될 가능성이 매우 크다. 연구진은 이 소재를 스마트 의류에 적용 가능한 탄소 의류와 탄소 장갑으로 제조하였다. 실험을 통해 10,000번 이상 반복적으로 접거나 구겨도 형태나 전기전도도가 유지되며 세탁 또한 가능할 만큼 물리 화학적으로도 안정적인 것을 확인했다. KIST 연구진은 한발 더 나아가 제조한 탄소 소재가 이차전지의 소재로 활용하기에 최적화된 구조임을 확인하고, 이차전지의 전극의 필수소재인 집전체***로 활용하였다. 적용된 탄소섬유 집전체는 기존의 알루미늄 집전체 대비 낮은 저항값과 향상된 성능을 나타냈다. 특히, 1,200번 이상의 굽힘 테스트에도 초기 대비 90%이상의 용량을 유지하였으며, 탄소 방적 직물로 제작한 전극은 수차례의 충·방전 테스트에도 우수한 성능을 보였다. 파우치형 리튬이온 이차전지는 자유롭게 변형이 가능하며, 우수한 안정성 및 유연성을 나타내었다. ***집전체 : 이차전지 구조 소재 중에서 전기 저항이 낮으며, 충전과 방전 중에 활물질로 전류를 전달하거나 활물질에서 전류를 전달하도록 하는 구조체 KIST 손동익 박사는 “세탁 가능하고, 구겨지고, 비틀어도 원상복원이 가능한 저가의 탄소 방적 직물 개발은 에너지 저장 소재로의 응용뿐만 아니라 유연한 전자소재, 환경 소재 등 다양한 곳에 널리 응용이 가능할 것으로 생각된다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구사업 및 국가과학기술연구회 창의융합연구사업으로 수행되었다. 전북대학교와의 공동연구로 진행된 이번 연구결과는 소재 분야 국제 저널인 ‘Composites Part B : Engineering’ (IF: 6.864, JCR 분야 상위 2.00%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Versatile 3D porous recycled carbon garments with fully-loaded active materials in the current collector for advanced lithium-ion batteries - (제 1저자) National Research Council Canada(NRC) 조현진 박사 - (제 1저자) 한국기초과학지원연구원(KBSI) 김연호 박사 - (제 1저자, 교신저자) 한국과학기술연구원 손동익 선임연구원 - (교신저자) 전북대학교 김학용 교수 <그림설명> [그림 1] Oxi-PAN 방적사 제조부터 전도성 탄소 편직물의 제조 및 에너지 저장장치로의 응용 a. Oxi-PAN 단섬유. b. 방적사 공정에 의해 제조된 옥시-팬 방적 섬유. c. 편직 공정에 의해 제조된 Oxi-PAN 방적 직물, 티셔츠 및 장갑. d. 탄화 공정을 이용한 탄소방적직물, 탄소 의류 및 탄소 장갑의 제조. e. 전도성 탄소 의류(티셔츠) 및 탄소 장갑 제작, 그리고, 탄소방적직물을 사용한 방열판 및 히터 적용. f. 탄소방적직물을 열 보호소재로 응용. g. 3차원 다공성 구조를 갖는 탄소방적직물을 이용해 에너지 저장 장치 중 코인 셀 및 파우치 셀에 적용. [그림 2] 탄소방적직물(CSF)의 반복된 저항 테스트, 탄소방적직물의 열 확산 측정과 히터 응용 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트 사진. b 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트동안의 저항 자료 사진. c 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트 동안의 변화된 분석 자료 사진. d 굳힘과 늘어남에 대한 변화 동안의 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향(Course)) 실험 사진. e 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC) over time (120 s, 1 to 6 V) 의 열분석 자료. f 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC) over time (600 s, 1 to 6 V) 의 반복된 열분석 자료. g, h, i 1100도에 탄화된 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향 (Course))의 가해진 전압 (1 V, 3.75 V, and 6 V)의 사진. j, k 굳힘 테스트 동안의 전압 (3.6 V and 3.8 V)에 가해진 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향 (Course), 1100 oC) 사진. [그림 3] 탄소방적직물(CSF)의 이론적 열 확산 계산, 열 분산, 단열 및 안정성 실험 a, b 기본 세로방향 직물 (course standard)과 세로방향 직물 늘어남 (course stretching (40%))의 주사전자현미경 (SEM) 이미지. c, d 세로 방향(course) 탄소방적직물 (표준 (0 %) 및 연신 (40 %))의 finite element analysis (FEA)에서 Joule heating 시뮬레이션 자료 이미지와 탄소방적직물의 모델링 및 시뮬레이션과 실험 간의 온도 비교. e 웨어러블 전자기기용 전극으로서 유연하고 구겨진 접히고 뒤틀린 탄소방적직물 (CSF) 사진. f 탄소방적직물의 단열 시험 사진. g A-D 적외선 열화상 카메라으로 부터 열 분석 데이터와 함께 방열판으로서 상용 Cu 호일과 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC)의 LED 전기 회로 사진. [그림 4] 리튬 이온 베터리를 적용하기 위한 LiFePO4/탄소 직물 복합재의 분석 a 코인 셀의 개략도. b 코인 셀에 적용된 탄소방적직물 (CSF) (pristine) 및 CSF/LFP 합성물의 도식도. c 3 차원 다공성 구조 (top image, A)를 가진 유일한 CSF (pristine)의 비파괴 3D X-ray Microscopes (XRM)의 가상 단면 사진. 충 방전 Nc = 200 후 CSF/LFP 복합체 구조의 가상 단면 사진 (bottom image, B). d 충전/방전 후 CSF/LFP 복합체의 총 면적을 나타내는 XRM 이미지 (Nc = 200). e CSF를 제외한 LFP 활물질의 면적 계산. f LFP 활물질 및 CSF를 제외한 기공 면적. SEM-AFM (KPFM)에 의한 CSF/LFP 복합체의 구조 및 전기 분석. g 충전/방전 전에 CSF/LFP 복합체에 접근하는 AFM 팁의 SEM 이미지. h, i Surface topography 및 충전/방전 이전의 Surface potential 데이터, 스캔 크기 1.5 μm × 1.5 μm. j 충전/방전 Nc = 200 주기 후 샘플에 접근하는 AFM 팁의 SEM 이미지. k, l Surface topography 과 충전/방전 사이클 후 Surface potential 데이터, 스캔 크기 1.5 μm × 1.5 μm. [그림 5] 카본섬유를 집전체로 적용한 플렉서블 리튬이차전지 특성 (a-d) 플렉서블 카본섬유가 집전체로 적용된 리튬이차전지의 코인셀 특성 (e-g) 형태의 변형이 가능한 파우치 형태로 제작된 리튬이차전지의 굽힘 및 전지 특성.

- 반복적인 세탁, 구부림에도 물리 화학적으로 안정적인 저가의 탄소 직물 개발 - 에너지 저장 소재, 차세대 웨어러블 제품 등 다양한 분야에 응용 가능 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 기능성복합소재연구센터 선임연구원 손동익 박사, 전북대학교 김학용 교수 공동 연구팀은 손상되어 쓰지 못하게 된 소재를 재활용하여 탄소 방적 직물을 제작하고, 리튬이온 이차전지 소재로 적용했다고 밝혔다. 웨어러블 전자 기기에서 필수적 구성요소 중 하나인 유연한 전극은 수 많은 연구들을 통해 다양한 소재들이 적용되어 왔다. 하지만 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 재활용하였다. 기존의 면섬유 제조 기술인 방적 공정을 통해 실 형태(방적사**)로 만든 뒤, 편직 공정을 통해 면섬유(방적 직물)로 만들었다. 그 후 안정화 및 탄화 공정을 거쳐 최종적으로 탄소 방적사와 탄소 방적 직물을 제조하였다. *Oxi-PAN 섬유(Oxidized PolyAcryloNitrile) : 내염화(anti-flammable) 섬유로써 유연성이 뛰어나 방적, 직포, 부직포 가공이 용이하고 내약품성, 내열성이 우수한 섬유 **방적사 : 면이나 양털과 같이 길이가 짧은 섬유, 단섬유를 방적한 실의 총칭 연구팀이 만든 탄소 소재는 버려지는 섬유를 재활용하고, 기존의 섬유 제조기술을 적용했기 때문에, 저렴하게 제조할 수 있어 상용화될 가능성이 매우 크다. 연구진은 이 소재를 스마트 의류에 적용 가능한 탄소 의류와 탄소 장갑으로 제조하였다. 실험을 통해 10,000번 이상 반복적으로 접거나 구겨도 형태나 전기전도도가 유지되며 세탁 또한 가능할 만큼 물리 화학적으로도 안정적인 것을 확인했다. KIST 연구진은 한발 더 나아가 제조한 탄소 소재가 이차전지의 소재로 활용하기에 최적화된 구조임을 확인하고, 이차전지의 전극의 필수소재인 집전체***로 활용하였다. 적용된 탄소섬유 집전체는 기존의 알루미늄 집전체 대비 낮은 저항값과 향상된 성능을 나타냈다. 특히, 1,200번 이상의 굽힘 테스트에도 초기 대비 90%이상의 용량을 유지하였으며, 탄소 방적 직물로 제작한 전극은 수차례의 충·방전 테스트에도 우수한 성능을 보였다. 파우치형 리튬이온 이차전지는 자유롭게 변형이 가능하며, 우수한 안정성 및 유연성을 나타내었다. ***집전체 : 이차전지 구조 소재 중에서 전기 저항이 낮으며, 충전과 방전 중에 활물질로 전류를 전달하거나 활물질에서 전류를 전달하도록 하는 구조체 KIST 손동익 박사는 “세탁 가능하고, 구겨지고, 비틀어도 원상복원이 가능한 저가의 탄소 방적 직물 개발은 에너지 저장 소재로의 응용뿐만 아니라 유연한 전자소재, 환경 소재 등 다양한 곳에 널리 응용이 가능할 것으로 생각된다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구사업 및 국가과학기술연구회 창의융합연구사업으로 수행되었다. 전북대학교와의 공동연구로 진행된 이번 연구결과는 소재 분야 국제 저널인 ‘Composites Part B : Engineering’ (IF: 6.864, JCR 분야 상위 2.00%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Versatile 3D porous recycled carbon garments with fully-loaded active materials in the current collector for advanced lithium-ion batteries - (제 1저자) National Research Council Canada(NRC) 조현진 박사 - (제 1저자) 한국기초과학지원연구원(KBSI) 김연호 박사 - (제 1저자, 교신저자) 한국과학기술연구원 손동익 선임연구원 - (교신저자) 전북대학교 김학용 교수 <그림설명> [그림 1] Oxi-PAN 방적사 제조부터 전도성 탄소 편직물의 제조 및 에너지 저장장치로의 응용 a. Oxi-PAN 단섬유. b. 방적사 공정에 의해 제조된 옥시-팬 방적 섬유. c. 편직 공정에 의해 제조된 Oxi-PAN 방적 직물, 티셔츠 및 장갑. d. 탄화 공정을 이용한 탄소방적직물, 탄소 의류 및 탄소 장갑의 제조. e. 전도성 탄소 의류(티셔츠) 및 탄소 장갑 제작, 그리고, 탄소방적직물을 사용한 방열판 및 히터 적용. f. 탄소방적직물을 열 보호소재로 응용. g. 3차원 다공성 구조를 갖는 탄소방적직물을 이용해 에너지 저장 장치 중 코인 셀 및 파우치 셀에 적용. [그림 2] 탄소방적직물(CSF)의 반복된 저항 테스트, 탄소방적직물의 열 확산 측정과 히터 응용 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트 사진. b 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트동안의 저항 자료 사진. c 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트 동안의 변화된 분석 자료 사진. d 굳힘과 늘어남에 대한 변화 동안의 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향(Course)) 실험 사진. e 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC) over time (120 s, 1 to 6 V) 의 열분석 자료. f 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC) over time (600 s, 1 to 6 V) 의 반복된 열분석 자료. g, h, i 1100도에 탄화된 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향 (Course))의 가해진 전압 (1 V, 3.75 V, and 6 V)의 사진. j, k 굳힘 테스트 동안의 전압 (3.6 V and 3.8 V)에 가해진 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향 (Course), 1100 oC) 사진. [그림 3] 탄소방적직물(CSF)의 이론적 열 확산 계산, 열 분산, 단열 및 안정성 실험 a, b 기본 세로방향 직물 (course standard)과 세로방향 직물 늘어남 (course stretching (40%))의 주사전자현미경 (SEM) 이미지. c, d 세로 방향(course) 탄소방적직물 (표준 (0 %) 및 연신 (40 %))의 finite element analysis (FEA)에서 Joule heating 시뮬레이션 자료 이미지와 탄소방적직물의 모델링 및 시뮬레이션과 실험 간의 온도 비교. e 웨어러블 전자기기용 전극으로서 유연하고 구겨진 접히고 뒤틀린 탄소방적직물 (CSF) 사진. f 탄소방적직물의 단열 시험 사진. g A-D 적외선 열화상 카메라으로 부터 열 분석 데이터와 함께 방열판으로서 상용 Cu 호일과 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC)의 LED 전기 회로 사진. [그림 4] 리튬 이온 베터리를 적용하기 위한 LiFePO4/탄소 직물 복합재의 분석 a 코인 셀의 개략도. b 코인 셀에 적용된 탄소방적직물 (CSF) (pristine) 및 CSF/LFP 합성물의 도식도. c 3 차원 다공성 구조 (top image, A)를 가진 유일한 CSF (pristine)의 비파괴 3D X-ray Microscopes (XRM)의 가상 단면 사진. 충 방전 Nc = 200 후 CSF/LFP 복합체 구조의 가상 단면 사진 (bottom image, B). d 충전/방전 후 CSF/LFP 복합체의 총 면적을 나타내는 XRM 이미지 (Nc = 200). e CSF를 제외한 LFP 활물질의 면적 계산. f LFP 활물질 및 CSF를 제외한 기공 면적. SEM-AFM (KPFM)에 의한 CSF/LFP 복합체의 구조 및 전기 분석. g 충전/방전 전에 CSF/LFP 복합체에 접근하는 AFM 팁의 SEM 이미지. h, i Surface topography 및 충전/방전 이전의 Surface potential 데이터, 스캔 크기 1.5 μm × 1.5 μm. j 충전/방전 Nc = 200 주기 후 샘플에 접근하는 AFM 팁의 SEM 이미지. k, l Surface topography 과 충전/방전 사이클 후 Surface potential 데이터, 스캔 크기 1.5 μm × 1.5 μm. [그림 5] 카본섬유를 집전체로 적용한 플렉서블 리튬이차전지 특성 (a-d) 플렉서블 카본섬유가 집전체로 적용된 리튬이차전지의 코인셀 특성 (e-g) 형태의 변형이 가능한 파우치 형태로 제작된 리튬이차전지의 굽힘 및 전지 특성.

- 면역세포와 상호작용하여 조직재생을 유도하는 하이드로젤 개발 - 의료용 생체재료로써 혁신 신약 시장 개척 기대 교통사고나 뇌졸중 등으로 인해 중추신경계가 손상되면 이차적인 신경변성이 일어나 신경조직에 결손이 생기고 물혹(낭포성 공동)이 발생하는데, 이는 신경회로의 재생을 억제하고 줄기세포의 생착을 방해하는 등 회복에 큰 저해요소가 되고 있다. 이러한 낭포성 공동의 생성을 억제하기 위해 다양한 생체재료들이 개발되었지만, 고형의 물질들은 불규칙한 형태의 손상부위를 효과적으로 메워주지 못하고 젤 타입의 물질들은 조직 내 강도나 지속성의 문제로 인한 기능 수행에 한계가 있었다. 최근 국내연구진이 중추신경계 손상 후 물혹(낭포성 공동)이 생기는 것을 억제하는 신개념의 하이드로젤(hydrogel)*을 개발하여, 척수 손상 시 중추신경계 조직의 재생을 유도하는 새로운 치료법을 제시하였다. * 하이드로젤(hydrigel) : 물이 기본 성분으로 들어 있는 젤리 모양의 물질 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 의공학연구소 생체재료연구단 송수창 박사팀은 아주대학교 뇌과학과 김병곤 교수팀과의 공동연구를 통해 면역세포를 젤(gel) 내에 머물게 하여 물혹(낭포성 공동)의 생성을 억제하는 주입형 하이드로젤 개발에 성공했다. 연구진은 개발한 하이드로젤이 외상 후 발생하는 물혹을 억제하여 2차 손상으로부터 신경세포들을 보호하고 재생을 돕는 것이 가능하다고 밝혔다. KIST 송수창 박사팀은 첫째, 불규칙한 손상부위를 메우기 위한 온도감응성 하이드로젤의 적용, 둘째로 조직 내 지속성 문제를 해결하는 빠른 조직 재생효과를 유도하기 위한 면역시스템이라는 두 가지 측면에서 접근하였다. 연구진은 상온에서는 액상을 유지하지만 체온에서는 증가된 온도로 인해 고형의 젤로 변화하는 온도감응성 폴리포스파젠 하이드로젤이라는 물질을 사용했다. 또한 면역 기능을 조절하는 대식세포**를 효과적으로 잡아주는 물질(이미다졸(imidazole)) 그룹을 하이드로젤에 도입함으로써, 하이드로젤 내에 대식세포가 효과적으로 머물게 하여 생성된 섬유성 세포외기질단백질이 하이드로젤 부위를 채워줌으로써 조직결손을 메우는 시스템을 개발할 수 있었다. ** 대식세포 : 혈액, 림프, 결합 조직에 있는 백혈구로 세포로 침입한 병원균이나 손상된 세포를 포식하여 면역기능 유지에 중요한 역할을 한다. KIST 송수창 박사는 “개발된 하이드로젤은 생체 적합성이 뛰어나면서도 물혹을 효과적으로 막아주고, 중추신경계 손상으로 인한 2차적 신경변성을 막아 신경계 손상 환자들의 증상을 완화할 수 있다.”라고 말하며, “또한 이 기술은 각종 다른 조직재생 인자들과 함께 사용되어 신경변성 억제를 넘어선 신경재생을 유도하는 시스템으로 적용될 수 있을 것으로 전망한다”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 한국연구재단 바이오의료기술개발사업 “줄기세포 및 유전자 전달을 위한 다기능 온도감응성 하이드로젤 개발”과제(총괄과제책임자, KIST 송수창 박사) 및 KIST 기관고유사업의 지원으로 이루어졌으며, 본 연구결과는 국제학술지 ‘Nature Communications’ (IF : 12.124) 9월 14일(화) 온라인 판에 게재되었다. <그림설명> <그림 1> 척수손상 모델에서의 주입형 하이드로젤의 도입 및 조직재생 유도과정 <그림 2> 하이드로젤 주입 후의 공동의 생성 억제 효과 및 그에 따른 행동능력 증가

- 면역세포와 상호작용하여 조직재생을 유도하는 하이드로젤 개발 - 의료용 생체재료로써 혁신 신약 시장 개척 기대 교통사고나 뇌졸중 등으로 인해 중추신경계가 손상되면 이차적인 신경변성이 일어나 신경조직에 결손이 생기고 물혹(낭포성 공동)이 발생하는데, 이는 신경회로의 재생을 억제하고 줄기세포의 생착을 방해하는 등 회복에 큰 저해요소가 되고 있다. 이러한 낭포성 공동의 생성을 억제하기 위해 다양한 생체재료들이 개발되었지만, 고형의 물질들은 불규칙한 형태의 손상부위를 효과적으로 메워주지 못하고 젤 타입의 물질들은 조직 내 강도나 지속성의 문제로 인한 기능 수행에 한계가 있었다. 최근 국내연구진이 중추신경계 손상 후 물혹(낭포성 공동)이 생기는 것을 억제하는 신개념의 하이드로젤(hydrogel)*을 개발하여, 척수 손상 시 중추신경계 조직의 재생을 유도하는 새로운 치료법을 제시하였다. * 하이드로젤(hydrigel) : 물이 기본 성분으로 들어 있는 젤리 모양의 물질 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 의공학연구소 생체재료연구단 송수창 박사팀은 아주대학교 뇌과학과 김병곤 교수팀과의 공동연구를 통해 면역세포를 젤(gel) 내에 머물게 하여 물혹(낭포성 공동)의 생성을 억제하는 주입형 하이드로젤 개발에 성공했다. 연구진은 개발한 하이드로젤이 외상 후 발생하는 물혹을 억제하여 2차 손상으로부터 신경세포들을 보호하고 재생을 돕는 것이 가능하다고 밝혔다. KIST 송수창 박사팀은 첫째, 불규칙한 손상부위를 메우기 위한 온도감응성 하이드로젤의 적용, 둘째로 조직 내 지속성 문제를 해결하는 빠른 조직 재생효과를 유도하기 위한 면역시스템이라는 두 가지 측면에서 접근하였다. 연구진은 상온에서는 액상을 유지하지만 체온에서는 증가된 온도로 인해 고형의 젤로 변화하는 온도감응성 폴리포스파젠 하이드로젤이라는 물질을 사용했다. 또한 면역 기능을 조절하는 대식세포**를 효과적으로 잡아주는 물질(이미다졸(imidazole)) 그룹을 하이드로젤에 도입함으로써, 하이드로젤 내에 대식세포가 효과적으로 머물게 하여 생성된 섬유성 세포외기질단백질이 하이드로젤 부위를 채워줌으로써 조직결손을 메우는 시스템을 개발할 수 있었다. ** 대식세포 : 혈액, 림프, 결합 조직에 있는 백혈구로 세포로 침입한 병원균이나 손상된 세포를 포식하여 면역기능 유지에 중요한 역할을 한다. KIST 송수창 박사는 “개발된 하이드로젤은 생체 적합성이 뛰어나면서도 물혹을 효과적으로 막아주고, 중추신경계 손상으로 인한 2차적 신경변성을 막아 신경계 손상 환자들의 증상을 완화할 수 있다.”라고 말하며, “또한 이 기술은 각종 다른 조직재생 인자들과 함께 사용되어 신경변성 억제를 넘어선 신경재생을 유도하는 시스템으로 적용될 수 있을 것으로 전망한다”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 한국연구재단 바이오의료기술개발사업 “줄기세포 및 유전자 전달을 위한 다기능 온도감응성 하이드로젤 개발”과제(총괄과제책임자, KIST 송수창 박사) 및 KIST 기관고유사업의 지원으로 이루어졌으며, 본 연구결과는 국제학술지 ‘Nature Communications’ (IF : 12.124) 9월 14일(화) 온라인 판에 게재되었다. <그림설명> <그림 1> 척수손상 모델에서의 주입형 하이드로젤의 도입 및 조직재생 유도과정 <그림 2> 하이드로젤 주입 후의 공동의 생성 억제 효과 및 그에 따른 행동능력 증가