한국탄소산업진흥원, 이산화탄소 활용 단일벽 탄소나노튜브 생산 기술 확보

[산업일보]
한국탄소산업진흥원 실용화본부 김동영 박사 연구팀이 이산화탄소(CO₂)를 활용해 단일벽 탄소나노튜브(Single-Walled Carbon Nanotube, SWCNT)를 생산할 수 있는 원천기술을 개발했다. 산업계의 탄소중립 실현에 기여할 것으로 전망된다.

단일벽 탄소나노튜브는 높은 전기 전도성과 강도를 갖춘 차세대 소재로, 기존의 다중벽 탄소나노튜브(Multi-Walled Carbon Nanotube, MWCNT)보다 우수한 물성을 지닌다. 이차전지 도전재뿐만 아니라 에너지 저장장치, 우주항공, 방산 분야 등 다양한 산업에서 활용될 핵심 소재로 평가된다.

기존 생산 방식은 아세틸렌, 에틸렌, 메탄 등 고가의 탄화수소를 사용해 원가 부담이 크고 제조 공정상의 기술 장벽이 존재했다. 한국탄소산업진흥원은 2023년부터 자체 연구개발을 진행해 산업 공정에서 발생하는 이산화탄소를 활용한 제조 기술을 확보했다.

연구팀은 단계별 유동층 화학기상증착법(Fluidized Bed Chemical Vapor Deposition, FBCVD)을 적용해 이산화탄소와 수소만으로 단일벽 탄소나노튜브를 합성하는 기술을 개발했다. 유동층 반응기에서 니켈 담지 촉매를 이용해 이산화탄소를 고효율 메탄으로 전환한 후, 철(Fe) 및 코발트(Co) 기반 나노촉매가 도입된 별도의 유동층 반응기로 유도해 높은 수율과 고품질의 단일벽 탄소나노튜브를 생산하는 방식이다.


분석 결과, 이산화탄소를 활용해 전환된 단일벽 탄소나노튜브는 1~2나노미터(nm) 직경을 유지하며, 기존 탄화수소 기반의 단일벽 탄소나노튜브와 동등한 물성을 갖춘 것으로 나타났다. 또한, 연구팀은 철 및 코발트 촉매의 설계를 최적화해 벽 수와 직경을 정밀하게 제어하는 기술적 기반을 확보했다. 정제 공정과 기능화 기술을 개발하면서 고농도 분산액 형태로 제조할 수 있는 기술도 마련해 에너지 저장장치와 나노섬유 등 다양한 산업 분야에 적용할 수 있도록 했다.

김동영 박사는 "고가의 탄화수소 대신 이산화탄소를 활용해 경제성과 기능성을 갖춘 단일벽 탄소나노튜브 생산 공정을 구축했다"며 "향후 대량 생산과 생산성 향상을 위한 기술 개발을 지속할 계획"이라고 밝혔다.

연구팀은 해당 기술을 기반으로 국내 특허 3건을 출원했으며, 올해 상반기 중 국제특허(PCT) 출원을 추진할 예정이다.

박규순 실용화본부장은 "이번 연구가 이산화탄소 자원화 기술을 바탕으로 탄소중립 목표 달성을 위한 새로운 방향을 제시하는 계기가 될 것"이라며 "탄소소재화 기술이 지속가능한 탄소순환경제 구축과 저탄소 산업 생태계 조성에 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.