미래 신산업 창출과 혁신기술 개발의 기반이 되는 소재, 인공지능, 빅데이터, IoT, 헬스케어, 환경·에너지, 안전분야 등 4차 산업혁명과 미래사회의 핵심영역을 뒷받침 할 원천소재인 미래소재에 대한 원천기술 확보가 필요하다는 목소리가 높아지고 있다.

황인상 기자 his@

우리나라는 소재·부품특별법이 제정된 2001년부터 소재 응용·개발연구에 집중 투자, 소재산업의 기술경쟁력을 강화해 왔다. 하지만 기초·원천연구에 대한 투자가 미흡해, 일부 핵심 첨단소재는 여전히 외국기술에 의존하고 있는 실정이다.

신소재로 각광받는 탄소나노섬유 개발

▲ 이창섭 교수

최근 주목을 받고 있는 이창섭 계명대학교 표면분석화학연구실 교수는 탄소나노섬유 연구에 매달리고 있다. 탄소섬유는 탄소의 질량 함유율이 90% 이상으로 이루어진 섬유상의 탄소재료로서 폴리아크릴로니트릴(PAN), 석유계·석탄계 탄화수소 잔류물인 피치 또는 레이온으로부터 제조된 섬유형태의 유기전구체 물질을 불활성분위기에서 열분해하여 얻어지는 섬유를 의미한다. 탄소섬유는 탄소재료로서의 구조 및 조직특성과 섬유형태 특성을 합친 재료로서 내열성, 화학적 안정성, 전기 및 열전도성, 저열팽창성에 따른 치수안정성, 저밀도, 마찰 마모특성, X선 투과성, 전자파 차폐성, 생체친화성, 유연성 등의 우수한 특징을 지니고 있으며, 활성화 조건에 따라서는 매우 우수한 흡착특성 부여도 가능하다.

이창섭 계명대학교 표면분석화학연구실 교수는 “탄소나노섬유는 나노크기를 갖는 섬유상의 탄소나노재료로서 1µm 미만의 굵기를 가지며 herringbone, Antler, tublar, platelet 및 spiral등의 다양한 형태를 가진다”면서 “이러한 탄소나노섬유는 탄화수소의 촉매열분해 및 전기방사에 의해 제조하며, 탄소강화복합재료, 전자파 차폐재, 초박형 디스플레이기기, 탄소반도체, 이차전지의 음극재 등 다양한 소재로 활용이 가능하다”고 설명했다. 최근에는 탄소섬유의 경량, 고강도, 고내열성 특성 등을 바탕으로 스포츠용품에서부터 건재, 콘크리트 구조물· 내진 보강 및 균열상태의 자가진단 등의 토목·건축 분야, CNG 탱크, 풍력 발전용 블레이드, 원심 분리 로터, 플라이 호일 등의 대체 에너지, 클린 에너지 분야, 선박, 차량 등의 고속 운송 기기분야, 해양 개발·심해저 유전 채굴 분야, 기기의 고성능화, 의료 복지 기기, 전기 전도 용도, 초내열 용도 등 우주·항공 분야에서부터 건설 산업에 이르기까지 다양한 산업 분야에 대한 적용분야가 확대되고 있으며, 철, 알루미늄 등 금속재료를 대체할 수 있는 새로운 소재로도 시장이 성장하고 있다.

이에 이창섭 교수는 한국연구재단의 지역혁신창의인력양성사업을 6년 간 수행하면서 다양한 전이금속촉매(Ni, Co, Fe, Cu, Mo) 및 이원계 촉매 시스템을 개발하여 탄소나노섬유 합성의 효율을 향상시키고 제품의 다양화를 이룩하였다. 또한 합성한 탄소나노섬유를 리튬이차전지의 음극재로 적용하여 기존에 상업적인 용도로 사용되고 있는 흑연을 대체하는 연구로 발전시켰다. 아울러 중기청 기술혁신과제를 수행하면서 탄소나노섬유를 고분자 및 EPDM 고무소재에 적용하여 탄소나노섬유강화고무(CNFRP)를 개발하여 자동차 부품소재에 적용하는 연구로 발전시키고, 13건의 탄소나노섬유 관련 특허를 등록했으며, 지난 4월 지금까지의 연구결과를 집대성해 NOVA Science Publishers의 의뢰를 받아 <Carbon Nanofibers>를 출간하기도 했다. 

차세대 리튬이차전지 음극재 개발에 매진
현재 탄소나노섬유 연구와 함께 이창섭 교수가 매진하고 있는 연구는 바로 리튬이차전지다. 이차전지는 여러 번의 충전과 방전이 가능하여 재사용 할 수 있는 전지이다. 리튬 이차전지가 나오기 전까지 주로 사용된 전지에는 납축전지와 Ni-Cd 전지가 있으나, 이러한 이차전지는 메모리 효과와 환경오염문제라는 치명적인 단점을 지니고 있다. 하지만 리튬 이차전지는 환경적으로 안정하며 노트북이나 휴대폰과 같은 소형 IT기기들이 보급됨에 따라 요구되는 경량화, 소형화, 고용량화가 가능하여 더욱 각광받고 있는 중이다. 이에 이창섭 교수는 리튬 이차전지의 고용량화와 성능개선을 위해 새로운 탄소계 재료 즉 탄소나노섬유에 대한 개발연구를 진행, 탄소나노섬유의 용량을 높일 수 있는 새로운 리튬 이차전지의 음극 활물질로서 실리콘을 이용한 연구로 발전시켰다. 실리콘은 4,200 mAh/g 이라는 높은 최대이론용량을 가져 전지의 고용량 음극 활물질로 적합하지만 충·방전 중 400%에 달하는 부피변화로 인해 균열이 형성되어 집전체와 전기적 접촉이 저하되고 큰 비가역용량이 생겨 충·방전 특성이 저하되는 문제를 가지고 있다.

이창섭 교수는 그 대안으로 실리콘/탄소나노섬유 및 실리카/탄소나노섬유 복합소재를 합성하는 방법을 개발함으로써, 리튬 이차전지의 음극 활물질로 사용하였을 때 발생하는 문제를 해결했다. 이 교수는 탄소나노섬유 및 실리콘을 기반으로 한 리튬이차전지 음극재의 개발 기술로 미국특허를 획득했으며, 이외에도 10건의 리튬이차전지 관련 국내 특허를 등록하였다. 한편 화석연료에 포함되어있는 불순물을 제거하여 청정에너지를 만드는 데 사용되는 촉매 개발, 자동차 촉매전환기용 촉매 개발, 자동차 Oil cooler용 내열 및 난연성 고무호스 개발, 알루미늄 엣칭부산물의 가공에 의한 고순도 알루미나 제조공법 개발 등의 연구를 수행해온 이창섭 교수는 이러한 성과를 인정받아 계명대학교 산학우수연구교수상 3회, 비사학술상, International Association of Advanced Materials 로부터 Outstanding Scholar Award, 대구시 문화상(학술부문), 국무총리상 및 각종 국내외 학술대회 우수논문상을 4회 수상한 바 있다. NM