동국대 융합에너지신소재공학과 유성준 석사(제1저자), 최창순 교수(교신저자) 로 구성된 연구팀이 미세주름구조의 탄소나노튜브 복합체 섬유를 제작하는 데 성공했다. 연구팀은 탄소나노튜브 시트를 고분자 섬유에 로딩해 마이크로 크기의 미세 주름을 표면에 형성시키는 방법으로 다기능성 섬유 전극을 개발했다. 탄소나노튜브 미세주름구조는 최대 600%의 높은 신축성과 전도성을 가지며, 고분자 코어의 접촉면으로부터 마이크로 크기의 기공을 형성해 미세주름이 없는 플레인 구조 대비 약 20배의 정전용량 향상과 기계-전기화학 기반 에너지 생산을 가능하게 한다. 고분자/탄소나노튜브 미세주름구조는 바이오센서, 에너지 하베스터, 에너지 저장체 등 다양한 분야에 활용될 것으로 기대된다.
최창순 교수는 “이번 연구는 탄소나노 튜브의 미세주름구조 제작을 통해 구조적 안정성, 기계적 신축성, 에너지 저장성 능 향상, 에너지 수확을 하나의 구조에서 확인한 것에 의미가 있다”며 “새롭게 개발 된 탄소나노튜브 미세주름구조는 차세대 디바이스에 다양하게 활용될 수 있을 것” 이라고 전망했다. 해당 연구는 우수 학술지인 ‘Composite parts B: Engineering (IF=11.322, JCR 상위 1.630%)’ 와 ‘ACS Applied Materials & Interfaces (IF=10.383, JCR 상위 14.058%)’에 게재됐다.
연구팀은 최근 한양대와 공동연구로 섬유형 탄소나노튜브 전극에 관한 새로운 연구를 진행하기도 했다. 최창순 동국대 융합에너지신소재공학과 교수(교신저자) 와 김선정 한양대 융합전자공학과 교수 (공동 교신저자) 연구팀은 전기화학 접안 인가방식을 적용해 탄소나노튜브 섬유 전극의 다공성 구조 내부를 전기화학적으로 활성화시키는 방식으로 기계적 구동과 에너지 저장 성능을 획기적으로 향상한 탄소나노튜브 섬유 전극을 개발하는 데 성공했다.
탄소나노튜브 섬유 전극은 다양한 분야에서 큰 잠재력을 가진 유망한 전극 후보물질이나 다른 물질과 잘 반응하지 않는 탄소간 네트워크의 안정성 때문에 실제 활용에 제한이 많았다. 연구팀은 플라즈마를 이용해 표면에 노출된 탄소네트워크를 기능화하는 산소 플라즈마 공정을 활용했지만 수십 마이크로미터 크기를 갖는 섬유 전극 내부 구조까지 활성화시킬 수 없는 기존 연구 방식의 한계를 극복하기 위해 ‘전기화학 전압인가방식’을 도입했다. 정전기적 인력과 나노마이크로 채널의 모세관 효과로 섬유 내부까지 반응물질을 침투시켜 탄소나노튜브 섬유 전극의 내부까지 활성화하도록 설계한 것이다. 해당 섬유는 접촉각 약 38도라는 높은 친수성을 가지며 습도 환경에서 높은 회전 구동성능 (986 revolutions/m) 및 처리 전 대비 약 25배 (72.8 mF/cm2)에 달하는 커패시턴스를 보여준다. 이번 연구에는 손원경 연구원(공동 1저자), 이재명 연구원 (공동 1저자)이 참여했으며, 연구 결과는 향후 소프트로봇, 직물형 배터리, 수전/습전 하베스팅 등 폭 넓은 분야에 도입될 것으로 기대된다.