탄소산업진흥원, 이산화탄소로부터 단일벽 탄소나노튜브 전환 실용화 원천 기술 확보

산업계 탄소중립 실현 가능

자체 기금 조성 연구프로젝트 추진

고부가가치 탄소소재 원천기술 확보

이산화탄소(CO2)를 활용해 첨단 고부가가치 소재인 단일벽 탄소나노튜브를 생산할 수 있는 원천기술 개발에 성공한 한국탄소산업진흥원 실용화본부 김동영 박사 연구팀.ⓒ탄소산업진흥원

한국탄소산업진흥원은 진흥원 실용화본부 김동영 박사 연구팀이 이산화탄소(CO2)를 활용해 첨단 고부가가치 소재인 단일벽 탄소나노튜브를 생산할 수 있는 원천기술 개발에 성공했다고 19일 밝혔다.

단일벽 탄소나노튜브는 우수한 전기적 특성과 기계적 강도를 지닌 차세대 첨단소재다. 이차전지 도전재 등에 주로 사용되고 있는 다중벽 탄소나노튜브에 비해 전기 전도성과 내구성이 우수해 에너지 저장장치 뿐만 아니라 우주·항공·방산 분야 등 국내 주력 산업군에 적용 가능한 소재로 꼽힌다.

통상적으로 단일벽 탄소나노튜브는 아세틸렌(C2H2), 에틸렌(C2H4), 메탄(CH4) 등 고가의 탄화수소를 주 원료로 사용한다. 그로 인해 제조 원가가 비쌀 뿐만 아니라 단일벽 구조를 구현하기 위한 제조 공정에 대한 기술장벽 등이 존재해 왔다.

탄소산업진흥원은 이산화탄소 포집·활용(CCU)을 통한 탄소소재 기술 자립화를 목표로 지난 2023년부터 자체 연구개발 사업을 추진, 산업 공정에서 발생하는 이산화탄소로부터 단일벽 탄소나노튜브를 제조할 수 있는 기술을 확보하는데 성공했다.

김 박사 연구팀은 이산화탄소의 메탄화와 탄소나노튜브화를 위해 독자 개발한 단계별 유동층 화학기상증착법(FBCVD)을 이용했다.

고가의 탄화수소 원료 대신 이산화탄소와 수소만으로 단일벽 탄소나노튜브를 합성하는 기술을 개발, 단일벽 탄소나노튜브 생산에서의 경제성을 확보했다.

연구팀은 이산화탄소의 메탄화를 위해 유동층 반응기에서 세라믹 비즈상의 니켈 담지 촉매를 이용해 이산화탄소를 고효율 메탄으로 전환하고 이를 철(Fe) 및 코발트(Co) 기반의 나노촉매가 도입된 별도의 유동층 반응기로 유도해 높은 수율과 고품질의 단일벽 탄소나노튜브 생산을 가능하게 했다.

분석 결과에 따르면 이산화탄소로부터 전환된 단일벽 탄소나노튜브는 1~2나노미터(㎚)의 직경과 높은 결정성을 갖추고 있다. 탄화수소를 이용한 기존의 단일벽 탄소나노튜브 소재와 동등한물성을 보이는 것으로 나타났다.

아울러 연구팀은 철 또는 코발트 촉매의 설계 최적화를 통해 탄소나노튜브를 구성하는 벽(wall)의 수와 직경을 정밀하게 제어할 수 있는 기술적 기반까지도 확보했다.

단일벽 탄소나노튜브의 정제 공정 및 기능화를 통해 이를 고농도 분산액으로 제조할 수 있도록 하는 기술을 개발해 에너지 저장장치와 나노섬유 등 다양한 분야에서 활용 가능할 것으로 기대된다.

김 박사는 "이번 연구는 고가의 탄화수소 원료 대신 이산화탄소를 활용해 경제성과 기능성을 모두 갖춘 단일벽 탄소나노튜브 생산 공정을 확보했다는데 의미가 있다"며 "향후 대량 생산 등 생산성 향상을 위한 공정 기술 개발 등에 더욱 박차를 가할 계획"이라고 밝혔다.

한편 연구팀은 이산화탄소를 활용한 단일벽 탄소나노튜브 제조 기술 개발로 국내 특허 3건을 출원 완료했다. 올해 상반기 내 국제특허(PCT) 출원을 진행할 예정이다.