이산화탄소로 1㎏에 수백만원 소재 만든다

생산기술연구원, 세계 최초 고품질 나노탄소 공정 개발
이차전지·반도체 핵심 소재로 탄소중립·경제성 충족돼

한국생산기술연구원이 개발한 이산화탄소 전환 공정을 통해 고품질 나노탄소를 만들었다. 생산기술연구원 제공

[파이낸셜뉴스] 한국생산기술연구원 탄소경량소재그룹 김정필·양정훈 박사팀이 이산화탄소를 1㎏당 수백만원에 달하는 고품질 나노탄소로 만드는 공정을 세계 최초로 개발했다. 이 기술은 탄소중립을 실천함과 동시에 경제성까지 갖춰 산업현장에 충분히 적용 가능할 것으로 보인다.

양정훈 선임연구원은 16일 "이산화탄소를 이차전지의 핵심 소재인 고품질 나노탄소로 전환하는 기술은 해외에서도 사례가 없는 차세대 기술"이라며, "다양한 형태의 온실가스가 배출되는 산업 현장에 적용하기 위한 실증연구를 준비하고 있다"고 말했다.

이산화탄소를 산업용 소재로 전환하기 위해서는 많은 양의 에너지와 촉매, 특히 수소가 필요한데, 이산화탄소 전환으로 생산 가능한 소재는 현재까지 저가 소재에 머물러 있는 실정이다. 이산화탄소 전환으로 생산할 수 있는 알코올 가격은 1㎏ 당 3000원 수준에 그쳐 값비싼 공정비용 대비 경제성이 떨어진다.

연구진은 이산화탄소로 전환할 수 있는 소재 가운데 가장 경제성 높은 소재인 '단일벽 탄소나노튜브(SWCNTS)'에 주목했다. 단일벽 탄소나노튜브는 한 겹의 그래핀 시트가 원통형으로 말린 형태의 소재로, 그래핀, 풀러렌과 함께 대표적인 나노탄소 소재로 꼽힌다. 1㎏ 당 수백만원이 넘는 가격에도 불구하고 반도체 및 이차전지의 핵심 소재로 사용되며 최근 수요가 급증하고 있는 추세다.

연구진은 우선 이산화탄소에서 탄소 성장을 방해하는 산소를 빼내기 위해 수소와 반응시키고, 이를 통해 생성된 메탄을 열분해 하는 방식으로 고품질 나노탄소를 제조하는데 성공했다.

열화학촉매 반응기를 활용해 이산화탄소를 메탄으로 전환하는 공정이나 메탄을 열분해 시켜 탄소나노튜브를 제조하는 공정은 기존에도 사용돼 왔지만, 반응기 내의 가스 조성을 분석해 탄소나노튜브의 정밀한 구조를 밝혀낸 것은 최초다.

연구진은 새로운 공정을 활용해 단일벽 탄소나노튜브 뿐만아니라 나노미터 단위의 탄소 원자가 배열된 다양한 구조의 나노탄소로 전환하는 기술을 확보했다.

이어 나노탄소 소재를 이차전지에 적용하기 위해 탄소나노튜브의 벽과 그래핀 층의 숫자에 따른 비표면적 변화를 계산하고, 이 변화가 이차전지 적용 시 전해질과 맞닿는 계면 형성에 어떤 영향을 미치는지 분석했다.

또한 계면 변화에 따라 달라지는 전해질의 분해 반응, 초기 쿨롱 효율, 가역 용량 등 계면 형성이 이차전지 특성에 미치는 연관성을 밝혔다.

김정필 수석연구원은 "탄소나노튜브 구조를 규명해 이차전지의 핵심 소재인 고품질 나노탄소로 전환할 수 있는 공정기술을 확보했다"며, "나노탄소 소재 상용화를 통해 이산화탄소를 줄이면서, 동시에 부가가치를 창출할 수 있는 후속 연구를 추진할 계획"이라고 말했다.

한편, 연구진은 이번 연구성과를 재료과학 분야 국제 학술지 'ACS 어플라이드 머티리얼즈 앤드 인터페이시스(ACS Applied Materials & Interfaces)'와 화학공학 분야 국제학술지 '에너지 및 연료(Energy & Fuels)'에 발표했다.

[e-mail] 김만기 기자