한국인 오지영 박사 포함 UTD 연구팀 논문, ‘사이언스’에 소개
- ‘섬유로 만들 수 없는’ 물질을 이용한 기능성 섬유의 제작 성공
이번 연구에 참여한 부산대 출신의 젊은 물리학자 오지영 박사는 부산대에서 박사과정까지 모두 마친 순수 국내파로, 지난 2007년부터 알렌 맥달마이드 나노텍 연구소에서 연구원으로 지내고 있다.
오 박사는 지난 2006년 미국 텍사스대 나노기술연구소 연구팀과 함께 탄소나노튜브와 형상기억합금을 이용해 수소나, 메탄올의 연료 에너지를 이용하는 인공근육 개발과 2009년 인간의 근육보다 30배나 큰 힘을 내는 인공근육 개발로 ‘사이언스’에 소개된 데 이어, 이번에 세 번째 사이언스 연구논문(공동저자)을 발표하게 됐다.
오 박사 연구팀은 공기보다 가벼우며 같은 무게의 강철보다 훨씬 강한 특성을 가지는 카본나노튜브를 소량 사용하지만, 카본나노튜브의 특성과 첨가물의 특성을 모두 유지하는 기능성 섬유를 제작하는 데 성공했다. 기존의 합성 방법은 첨가물을 고분자 바인더를 이용해 섬유과 결합시키거나 섬유의 표면에 직접 접합시키는 형태로, 섬유의 기능 향상을 위해 더해지는 첨가물의 종류와 농도의 선택이 제한적이며, 이러한 합성 과정은 섬유제 직물 제조 과정에 필요한 섬유의 강도를 약화시키는 한계를 가지고 있다.
연구팀은 바이스크롤 방법을 통해 이러한 문제를 해결했으며, 이렇게 제작된 바이스크롤 섬유는 첨가물의 특성에 따라 에너지 저장체, 에너지 변환체, 에너지 하베스팅(harvesting) 등 다양한 분야로의 응용이 가능하다고 밝혔다. 연구 결과는 바이스크롤 섬유를 이용한 초전도 케이블의 제작과 전기적 특성이 발현될 수 있는 섬유 제작의 결과뿐만 아니라 유연성과 함께 직물 제조의 특성까지 가지는 화학 전지와 연료 전지의 전극 응용 사례까지 포함하고 있어 ‘사이언스’의 주목을 받았다.
‘바이스크롤 섬유’라는 이름은 제작 과정에서 얻어졌다. ‘바이스크롤’이란 첨가물을 주 물질인 카본나노튜브 웹 표면에 부착시킨 후, 섬유의 형태로 꼬아주는 것이다. 이렇게 꼬아주는 과정에서 주어지는 힘의 강도와 균형에 따라 바이스크롤 섬유는 아키미디언(Archimedean) 구조, 이중 아키미디언(duel Archimedean) 구조 또는 아키미디언 구조의 삼차원 확장 구조인 페르마(Fermat) 구조로 결정되어지는데, 이러한 나선 구조의 혼합 형태는 자연 구조물 속에서도 이미 많이 발견되어 왔으며 천년이 넘는 세월동안 다양한 문화권에서 숭배되어왔다.
이번 연구에서 사용되어진 바이스크롤이 가능한 카본나노튜브 웹은 일반적인 카본나노튜브 시트와는 달리 초당 2m의 연속적인 섬유 제작 특성을 가진다. 이러한 특성은 알렌 맥달마이드 나노텍 연구소에서 제작하는 카본나노튜브 포레스트의 뛰어난 형상비(aspect ratio)로 인해 가능한 것으로, 5cm의 지름을 가지는 대나무가 하늘을 향해 1.6km 높이로 뻗어있는 울창한 대나무 숲의 모습을 카본나노튜브 포레스트와 견주어 상상하면 된다. 약 113g의 카본나노튜브 시트는 4,047㎡를 덮을 수 있으며, 인간의 모발 또는 일반 종이보다 1000배나 얇은 50nm의 두께로 밀도화 될 수 있다.
이처럼 강한 카본나노튜브 웹은 바이스크롤 섬유의 대부분 질량을 차지하는 첨가물을 단단히 가둬 둘 수 있으며, 바이스크롤 섬유가 부착된 일반 직물을 기계를 이용해 세탁한 후에도 첨가물의 손실은 거의 없었다. 카본나노튜브 웹의 얇은 두께로 인해 인간의 모발과 같은 두께로 섬유를 제작할 경우 약 100개의 스크롤 구조를 포함할 수 있으며, 카본나노튜브의 특성인 전기 전도성은 100개의 스크롤 구조과 상관없이 섬유 전체에 골고루 뛰어난 전기적 특성을 제공하게 된다.
뿐만 아니라, 카본나노튜브 웹의 다공성 특징은 전기 화학적 응용의 경우 주로 이용되는 액체부터 센서로 응용 시 사용되는 기체에 이르기까지 활성화 물질이 웹 안의 기능성 입자까지 쉽게 접근할 수 있도록 통로 역할도 하는 것으로 밝혀졌다.
바이스크롤 섬유의 응용 가능성은 첨가물의 특성에 따라서 결정된다. 리튬 이온 전지의 재료로 각광받고 있는 리튬인산철(LiFePO4)을 첨가물로 이용해 제작한 전극은 고성능 리튬 이온 전지의 전극 특성뿐만 아니라, 에너지 저장체와 에너지 발생 의복의 결합을 위해 필요한 유연성과 기계적 강도 특성 또한 가지게 된다. 또한 연구결과, 전기 에너지의 화학적 발생을 위해 주로 이용되는 비싼 백금 촉매를 대신해 질소 도핑된 카본나노튜브를 첨가물로 이용한 바이스크롤 섬유는 촉매를 가지는 연료 전지의 음극으로 이용될 수 있었다.
마그네슘과 붕소 입자를 섞은 바이스크롤 섬유는 간단한 열 처리 만으로 초전도체인 이붕화 마그네슘 기능성 섬유의 특성을 나타냈는데, 이는 일반적인 초전도체 전선의 제작을 위해 사용되는 30가지 이상의 단계를 제거한 획기적인 방법이다. 또한 광촉매인 이산화 티타늄을 첨가물로 사용한 경우 오염을 스스로 제거하는 자기 세정 특성을 가지는 바이스크롤 섬유의 제작도 가능했다고 연구팀은 설명했다.
한편, 연구팀은 “우리의 바이스크롤링 기술은 사이언스 저널에 소개된 것보다 훨씬 응용 가능성이 다양하다”며 이어 “바이스크롤링 기술을 이용해 의료 삽입 물질로 사용될 수 있는 생물연료 전지의 성능 향상을 위한 연구도 이미 진행 중에 있다”고 밝혔다.
오지영 박사는 이번 연구성과에 대해 “새로운 소재로 혁명이라 불리면서 많은 관심을 받으며 시작된 탄소나노튜브 연구지만, 좋은 응용기술제품이 있어도 대규모 생산 기술이 충분한 경제성을 가지지 못하여 실용화에는 한계를 가지고 있었다”며 “우리의 바이스크롤 기술은 이러한 한계를 극복할 뿐만 아니라, 차세대 에너지 발생체와 저장체의 새로운 구조를 만들어내는 역할도 할 것이다. 특히 현재 주도하고 있는 바이스크롤 섬유를 이용한 에너지 하베스팅 연구 결과도 곧 주목할 만한 결과가 예상된다”고 말했다.
웹사이트: http://www.pusan.ac.kr
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