한국탄소산업진흥원은 김동영 실용화본부 박사팀이 이산화탄소(CO₂)를 활용해 첨단 고부가가치 소재인 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)를 생산할 수 있는 원천기술 개발에 성공했다고 19일 밝혔다.
SWCNT는 우수한 전기적 특성과 기계적 강도를 지닌 차세대 첨단소재다. 이차전지 도전재 등에 주로 사용하고 있는 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)에 비해 전기 전도성 및 내구성이 우수해 에너지 저장장치(ESS) 뿐만 아니라 우주·항공·방산 분야 등 국내 주력 산업군에 적용 가능한 소재로 꼽힌다.
통상적으로 SWCNT는 아세틸렌(C₂H₂), 에틸렌(C₂H₂), 메탄(CH₂) 등 고가의 탄화수소를 주 원료로 사용하는 데, 그로 인해 제조 원가가 비쌀 뿐만 아니라 단일벽 구조를 구현하기 위한 제조 공정에 대한 기술장벽 등이 존재해 왔다.
한국탄소산업진흥원은 CO₂ 포집·활용(CCU)을 통한 탄소소재 기술 자립화를 목표로 지난 2023년부터 자체 연구개발 사업을 추진해왔다. 산업 공정에서 발생하는 CO₂로부터 SWCNT를 제조할 수 있는 기술을 확보했다.
김동영 박사팀은 CO₂의 메탄화 및 탄소나노튜브(CNT)화를 위해 독자 개발한 단계별 유동층 화학기상증착법(FFBCVD)을 이용해 고가의 탄화수소 원료 대신 CO₂와 수소만으로 SWCNT를 합성하는 기술을 개발, SWCNT 생산에서의 경제성을 확보했다.
연구팀은 CO₂의 메탄화를 위해 유동층 반응기에서 세라믹 비즈상의 니켈 담지 촉매를 이용해 CO₂를 고효율 메탄으로 전환하고 이를 철(Fe) 및 코발트(Co) 기반의 나노촉매가 도입된 별도의 유동층 반응기로 유도해 높은 수율과 고품질의 SWCNT 생산을 가능하게 했다.
분석 결과에 따르면 CO₂로부터 전환된 SWCNT는 1~2나노미터(㎚)의 직경과 높은 결정성을 갖추고 있으며, 탄화수소를 이용한 기존의 SWCNT 소재와 동등한 물성을 보이는 것으로 나타났다.
연구팀은 Fe 및 Co 촉매의 설계 최적화를 통해 CNT를 구성하는 벽(wall)의 수와 직경을 정밀하게 제어할 수 있는 기술적 기반까지도 확보했다. SWCNT의 정제 공정 및 기능화를 통해 이를 고농도 분산액으로 제조할 수 있도록 하는 기술을 개발해 ESS 및 나노섬유 등 다양한 분야에서 활용 가능할 것으로 기대한다.
김동영 실용화본부 박사는 “이번 연구는 고가의 탄화수소 원료 대신 CO₂를 활용해 경제성과 기능성을 모두 갖춘 SWCNT 생산 공정을 확보했다는데 의미가 있다”며 “향후 대량 생산 등 생산성 향상을 위한 공정 기술 개발 등에 더욱 박차를 가할 계획”이라고 말했다.
연구팀은 CO₂를 활용한 SWCNT 제조 기술 개발로 국내 특허 3건을 출원 완료했으며, 올해 상반기 내 국제특허(PCT) 출원을 진행할 예정이다.
박규순 한국탄소산업진흥원 실용화본부장은 “이번 연구가 국내 산업계에서 요구되는 탄소중립 이행을 위한 CO₂ 자원화의 새로운 방향을 제시할 수 있을 것으로 기대한다”며 “CO₂의 탄소소재화 기술이 지속가능한 탄소순환경제 구축과 저탄소 산업 생태계 조성에 기여할 수 있기를 바란다”고 강조했다.
전주=김한식 기자 hskim@etnews.com
