못쓰는 섬유 재활용해 리튬이온전지 소재로 쓴다

KIST·전북대 공동연구팀 주도…저가 탄소 방적 직물 개발

KIST 손동익 박사팀에서 개발한 탄소소재 직물로 리튬이온전지의 집전체로 만들었다. <br><br>1200번 이상의 굽힘 테스트에도 초기대비 90% 이상의 성능을 유지한다/사진=KIST

국내연구진이 손상된 소재를 재활용한 탄소 소재 직물을 개발했다. 이는 리튬이온이차전지 등 에너지 저장 소재 뿐만 아니라 차세대 웨어러블(착용형) 제품 등 다양한 분야에 응용할 수 있을 전망이다.

한국과학기술연구원(KIST) 기능성복합소재연구센터 손동익 박사(선임연구원), 전북대학교 김학용 교수로 이뤄진 공동 연구팀이 손상돼 쓰지 못하게 된 소재를 재활용해 탄소 방적 직물을 제작하고, 이를 리튬이온 이차전지 소재로 적용했다고 19일 밝혔다.

웨어러블 전자기기에서 필수적 구성요소 중 하나인 유연한 전극은 수 많은 연구들을 통해 다양한 소재들이 적용돼 왔다.

하지만 높은 제조 비용과 적용된 소재의 물리적·화학적 특성의 한계로 상용화에 어려움을 겪고 있다.

KIST 연구팀은 산업용 신소재 제조 과정 중 손상된 섬유(Oxi-PAN)를 재활용했다. 이는 유연성이 뛰어나 방적, 직포, 부직포 가공이 용이하다.

연구팀은 손상된 섬유를 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 제조했다.


연구팀이 만든 탄소 소재는 버려지는 섬유를 재활용하고 기존의 섬유 제조기술을 적용했기 때문에 저렴하게 제조할 수 있다는 장점이 있다.

연구팀은 이 소재를 스마트 의류에 적용 가능한 탄소의류와 탄소장갑으로 제조했다.

또 실험을 통해 1만번 이상 반복적으로 접거나 구겨도 형태나 전기전도도가 유지되며 세탁도 가능할 만큼 물리·화학적으로도 안정적 상태인 것을 확인했다.

아울러 연구팀은 제조한 탄소 소재를 이차전지 소재로 활용하기에 최적화된 구조임을 확인하고, 이차전지의 전극의 필수소재인 집전체로 활용했다. 집전체는 전류를 전달하는 구조체다.

적용된 탄소섬유 집전체는 기존의 알루미늄 집전체 대비 낮은 저항값과 향상된 성능을 나타냈다. 특히 1200번 이상의 굽힘 테스트에도 초기 대비 90% 이상의 용량을 유지했으며, 탄소 방적 직물로 제작한 전극은 수차례의 충·방전 테스트에도 우수한 성능을 보였다. 파우치형 리튬이온 이차전지는 자유롭게 변형이 가능하며, 우수한 안정성·유연성을 나타냈다.

손 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 것”이라고 말했다.