KIST, 기능성 탄소나노소재 제조 및 응용 기술 개발

이성호 박사 공동 연구팀은 PAN 계열 탄소섬유를 이용하여 용액공정을 통해 4 nm 정도의 크기 및 3층 이하의 두께를 가지는 고품질의 그래핀 양자점을 합성하는데 성공했다.<사진=KIST 제공>
이성호 박사 공동 연구팀은 PAN 계열 탄소섬유를 이용하여 용액공정을 통해 4 nm 정도의 크기 및 3층 이하의 두께를 가지는 고품질의 그래핀 양자점을 합성하는데 성공했다.<사진=KIST 제공>
수명이 다한 탄소섬유를 이용해 고기능성 탄소나노소재로 재활용하는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

탄소 기반 나노 구조체는 단일 소재만으로도 태양전지, 발광다이오드(LED), 바이오 이미징, 광촉매, 센서 등 다양한 분야에 활용 가능하다는 장점이 있다. 산업 현장 및 학계에서 각광받고 있는 소재로 재활용 기술을 통해 경제성까지 높일 것으로 기대된다.

KIST(한국과학기술연구원·원장 이병권)는 전북분원 복합소재기술연구소의 배수강, 이성호 박사 공동연구팀이 폴리아크릴로나이트릴(PAN, Polyacrylonitrile)이라고 불리는 고분자 물질로 제작된 탄소섬유를 이용해 고 결정성과 더불어 균일한 크기 분포도를 가지는 질소가 도핑된 그래핀 양자점을 효율적으로 합성할 수 있는 기술을 개발했다고 18일 밝혔다.

연구팀은 PAN계열 고분자 섬유를 기반으로 하는 탄소섬유를 산(Acid) 용액에서 적정 온도로 가열해 합성하는 하향식 접근법을 이용해 균일한 크기 분포도를 가지는 수 nm(나노미터) 크기의 탄소 구조체를 합성하는데 성공했다. 

해당 공정은 합성된 탄소 구조체에 비해 높은 결정성을 가지는 장점이 있고, 추가적인 후처리 공정 없이 결정성 저해 없는 이종 원소인 질소를 함유한 탄소 구조체를 합성할 수 있다. 또 경제적인 측면에서 수명이 다한 PAN 탄소섬유 및 복합소재를 사용할 수 있어 원료물질의 비용부담이 전혀 없다.

현재 탄소섬유 복합소재를 생산하고 사용하는 산업체에서 재활용 및 폐 복합소재 처리 방안이 큰 이슈인 상황이다. 후지 경제에 따르면 2030년 PAN계 탄소섬유복합재료 시장은 약 40조 8000억 원으로 2015년 대비 관련시장이 4배 가량 급속 성장할 전망이다.

(왼쪽부터)배수강, 이성호 박사<사진=KIST 제공>
(왼쪽부터)배수강, 이성호 박사<사진=KIST 제공>
연구팀은 "본 연구가 리싸이클(recycle) 개념을 넘는 기존 물질보다 부가가치가 높은 물질로 전환하는 업싸이클(upcycle) 기술을 제시한다는 측면에서 그 의의가 크다"고 설명했다. 

이 외에도 연구팀이 개발한 소재는 최대 14.5%의 광전변환효율 향상이 가능함을 보임으로써 다양한 응용 분야에 적용 가능함을 시사했다. 연구진은 이번 연구를 바탕으로 하여 고 결정성 탄소나노소재의 물성에 관련된 기초연구와 유·무기 복합 소재 제작, 그 특성에 대한 연구를 진행하고 있다.

배수강 박사는 "추가적인 후처리 공정 없이 이종 원소를 효과적으로 도입함으로써 특성 향상 및 경제성을 크게 높인 것이 장점"이라며 "향후, 탄소나노소재를 함유한 복합소재 분야 발전에 다양하게 응용될 것"이라고 말했다.

연구성과는 '나노에너지(Nano Energy)' 4월호에 게재됐다.

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