다기능성 탄소 나노튜브 섬유로 배터리 없이 전기차 충전

다기능성 탄소 나노튜브 섬유를 사용한 배터리가 없는 전기 자동차를 만들기 위해 노력하는 우리 나라의 소식을 전합니다. 

원자재를 독점하고 저렴한 가격으로 배터리를 팔아 한국의 배터리 제조업체들을 압박해 왔는데요. 
중국은 테슬라를 비롯한 해외 완성차 업체로부터 수주를 따내고 원재료 공급망을 장악하는 등 전 세계 전기차 시장에서의 입지를 마구 넓혀갔습니다.

인기에 힘입은 중국이 슬슬 배터리 가격으로 갑질을 실현할 기미를 보여 국내 배터리 업체들의 대응책이 필요하다는 의견이 속속 나오고 있었는데요. 
그런 우려를 한 지 얼마 지나지 않아 한국에서 말도 안 되는 신소재를 개발하여 전 세계 전기차 업체들의 관심이 중국에서 한국으로 옮겨지고 있습니다. 
상황이 어떻게 돌아가고 있는 것인지 자세히 알아보도록 하겠습니다. 
바야흐로 전기차의 시대가 도래했습니다.

국내에서도 폭발적으로 수요가 증가하여 2020년 대비 2021년에는 판매량이 무려 96%나 치솟았는데요. 
글로벌 전기차 판매량은 한 해 동안 무려 301만 대를 돌파할 정도로 많이 팔렸죠. 
유럽에서는 사상 처음으로 전기차 판매량이 디젤 차량 판매량을 앞질렀습니다.

2015년까지만 해도 유럽에서 판매량의 절반 이상을 차지했던 디젤 차량의 판매는 이제 20%에도 미치지 못합니다. 
머지 않은 미래의 디젤차는 대부분 사라져 전기차가 그 자리를 대신할 것으로 전망되고 있는데요. 
더불어 전 세계의 자동차 브랜드들이 이제는 더 이상 내연기관 신차를 제조하지 않을 것이라고 선언하고 있는 상황입니다.

그런 만큼 전기차의 필수 요소인 배터리의 제조업이 핵심 산업으로 떠올랐습니다. 
전 세계의 배터리 제조업체들이 숨 가쁘도록 바쁘게 돌아가고 있지만 그중에서도 가장 바쁜 곳은 바로 중국의 공장들이었는데요. 
지난해 테슬라 메르세데스 벤츠 등의 내로라 하는 자동차 브랜드들이 중국으로부터 배터리 수주를 잇따라 요청했습니다.

포트 폭스바겐 다임러 등도 중국산 배터리 도입을 검토하는 등 중국산 배터리에 러브콜을 보냈죠. 
이에 중국 배터리 업체는 생산 규모를 확대하며 해외시장 진출에 집중하기 시작했습니다. 
이렇게 중국이 배터리 시장에서 승승장구하면서 자국의 배터리 기업인 catl 단 하나만으로

31.8%의 점유율을 자랑하며 한국의 lg 에너지 솔루션 sko 삼성 sdi의 합산 점유율을 압도할 기세였습니다. 
한국의 3사가 덤벼도 안 되는 중국의 성적에 업계 관계자들은 충격에 빠지는데요. 
그럼에도 중국 배터리 기업들만 갈수록 점유율이 올라갔고 한국의 기업들은 갈수록 떨어지는 추세를 보였죠.

전문가들은 중국계 업체들이 대거 해외 진출을 더욱 적극적으로 추진하고 있다는 점은 적지 않은 위협 요인으로 작용할 것이다라고 우려했는데요. 
게다가 중국은 전기차 배터리의 필수 원료인 리튬 코발트 니켈 등 광물 공급망을 장악하고 있어 중국인들의 콧대가 하늘을 찌를 듯했습니다. 
중국 광물 업체들은 남미 호주 등에서 광물을 싸게 들여와 1차 가공을 거쳐 화합물로 만든 후 전 세계에 납품하고 있는데요.

문제는 중국이 이 화합물의 가격을 대폭 올리고 있다는 것입니다. 
2020년에 비해 코발트 가격을 2배 리튬 가격을 5배 올렸는데요. 
그 결과 코발트는 킬로그램당 하로 3만 9천 원이던 것이 8만 4천까지 폭등하였으며 리튬은 작년 말까지만 해도 킬로그램당 하나로 9천 원에 불과했는데 현재는 4만 9천 원까지 치솟았습니다. 
중국의 이러한 술수는 사람들을 경악하게 만드는 동시에 몹시 불쾌하게 만들고 있는데요.

그런데 애석하게도 음극재의 핵심 소재인 흑연 역시 중국이 꽉 잡고 있죠 중국이 전 세계 흑연 생산량의 약 70%를 차지하고 있는 실정입니다. 
흑연 수요가 크게 늘어나는 가운데 한국의 중국 흑연 의존도가 99%에 육박해 흑연판 요소수 사태가 발생할 가능성이 농후해지고 있습니다.

중국이 흑연 수출을 제한하거나 가격을 크게 올려버리면 전기차와 배터리 업계는 치명상을 입게 될 텐데요. 
이런 가운데 catl은 추진력에 불이 붙어 전기차 배터리의 새로운 컨셉을 도입했습니다. 
전기차가 충전소를 찾아 방전된 배터리를 충전하는 것이 아니라 타이어를 갈 듯 충전된 배터리로 갈아 끼우는 배터리 교체 인프라를 구축하겠다고 천명한 것이었습니다.

전기차 충전은 30분 걸렸는데 배터리 교체로 3분밖에 소요되지 않도록 하겠다는 것이었죠. 
이렇듯 중국이 전기차 배터리 시장을 장악하려는 움직임 한국의 배터리 제조업체들은 중국 의존도를 낮추기 위해 페배터리를 재활용해 코발트 니켈 리튬 등을 회수하는 사업에 투자하고 있었습니다. 
lg 에너지 솔루션은 최대 배터리 재활용 업체인 라이 사이클에 총 900억 원을 투자했으며 sk 이노베이션은 dmr 대전 환경과학연구원의 대모 공장을 짓는 등 고군분투했죠.

하지만 이런 노력들로는 역부족이었습니다. 
손바닥으로 하늘을 가릴 수 없다는 사실을 직시하고 제대로 된 반격을 펼치게 되는데요. 
배터리로 중국이 갑질을 하려 한다면 아예 배터리가 필요 없게 하자 라는 발상으로 엄청난 물건을 만들어 버립니다. 
무려 배터리 없이 본체에 많은 양의 전기를 저장했다가 쓸 수 있는 기초 소재를 국내 연구진이 선보인 것입니다.

이름하여 다기능성 탄소 나노튜브 섬유라는 소재로 한국재료연구원 김태훈 박사팀과 인하대 양승재 교수팀이 손을 잡고 이것을 이용해 세계 최초로 고강도 섬유형 슈퍼커패시터를 개발해냈습니다. 
슈퍼 커패시터의 개발은 전기차 구동 방식에 완전히 새로운 패러다임을 제시했다는 평가를 받고 있는데요. 
배터리 생산보다 비용 및 자원을 절약할 수 있고 자동차가 더 가벼워지는 동시에 이동 거리까지 늘어날 수 있어 전 세계 자동차 업계의 관심이 중국에서 한국으로 쏠리고 있습니다.

현재 사용 중인 에너지 저장 및 구조용 소재는 고강도 또는 고에너지 저장 기능 중 한 가지 특성만을 가지고 있는 경우가 대부분입니다. 
즉 리튬이온 2차 전지의 경우 전기를 저장할 수 있지만 그 자체로는 기계적인 부활을 견딜 수 없는 것이죠. 
반면에 철 알루미늄과 기존의 단위 기능 탄소 나노튜브 섬유 등은 튼튼해서 자동차 본체 외부 등 구조 소재로 사용 가능하지만 에너지는 저장할 수 없었습니다.

그런데 이번에 국내 연구진이 개발한 다기능 탄소 나노튜브 섬유는 가벼우면서 튼튼해 외장 본체 등의 소재로도 사용이 가능합니다. 
연구팀은 탄소 나노튜브 섬유를 추가적으로 증가시키고 가공성 탄소가 섬유로부터 떨어지지 않고 견고하게 붙어 있을 수 있도록 표면 처리를 한 후 다공성 탄소를 성장시켜 고강도 섬유형 슈퍼커패시터를 탄생시켰습니다.

슈퍼 커패시터는 리튬 2차 전지보다 에너지 저장 용량이 적지만 충전 방전을 매우 빠르게 할 수 있습니다. 
이 섬유형 슈퍼커패시터는 세제곱미터당 190.94mw의 전력 밀도에서 세제곱센터당 7.54m와 h의 높은 에너지 밀도를 가졌는데요. 
그래서 그런지 굵기가 실처럼 얇아도 10kg의 무게를 버텨내며 정상적으로 충전과 방전이 가능했습니다.

더불어 2천 번 넘게 접고 구부려도 성능이 떨어지지 않는 괴물급 내구성을 보여주었죠. 
어떻게 이럴 수 있을까 싶은데 탄소 나노튜브 섬유의 굵기는 머리카락의 1만 분의 1에 불과하지만 강도는 강철보다 100배나 단단하기 때문입니다. 
전기 전도율 또한 자연계에서 매우 뛰어난 구리를 넘어서고 열전도율도 다이아몬드와 비슷해 빨리 분산시킵니다.

전도율이 높다는 것은 낮은 전력으로도 구동이 가능해 전력 소모가 그만큼 줄어든다는 의미입니다. 
슈퍼 커패시터는 향후 에너지 저장 소재뿐만 아니라 경량 고강도 고전도성 특성을 필요로 하는 우주 항공 국방 분야에도 적용할 수 있을 것으로 전망되고 있는데요. 
국내 연구진은 다기능성 탄소 나노튜브 섬유를 방탄 초경량 복합소재 등에 활용하는 후속 연구와 탄소튜브 섬유의 대량 생산 및 전자파 차폐용 탄소 나노튜브 섬유 개발 등을 함께 진행 중이죠.

이번 연구 결과는 최근 국제학술지 사이언스 어드벤시스에 게재되었는데 많은 전문가들로부터 폭발적인 반응을 얻었습니다. 
그도 그럴 것이 이 탄소 나노튜브 섬유는 꿈의 물질로 불리며 차세대 신소재로 주목받아왔는데도 불구하고 실제 양산을 통해 제품에 적용하고 있는 기업은 전 세계에서 미국에 단 한 곳뿐이었기 때문이죠. 
탄소나노튜브 섬유는 1991년 최초로 발견되어 사람들의 기대를 한몸에 받았고 여러 연구소에서 개발에 착수했지만 상용화하기엔 극복해야 할 기술적 난제가 너무 많았습니다.

그런데 마침내 한국에서 그 난제를 풀어낸 것이었습니다. 
또한 한국은 이번 연구 결과 및 개발 성과로 더 이상 배터리 개발을 위해 중국에 의존하지 않아도 됨은 물론 역으로 해외 수출도 할 수 있게 되는데요. 
자신들이 공급망을 틀어막으면 배터리 시장을 장악할 수 있다고 생각하며 여유 부리고 있던 중국의 발등에 불이 떨어졌습니다.

자동차에 장착하면 더 무거워지기나 하고 자동차 제조 과정에서 비용이 더 많이 드는 배터리보다 혁신적이고 훨씬 효율적인 슈퍼 커패시터의 개발에 뛰어들지 않으면 전기차 시장에서 도태되고 말 테니까요. 
한국은 배터리가 없는 전기차의 개발 단계까지 이르렀는데요. 
이런 가운데 울산과학기술원에서도 질 수 없다는 듯이 3년에 한 번만 충전해도 되는 배터리를 개발해내 선의의 경쟁을 펼쳤습니다.

최근에는 한국에서 또 무선 충전 도로 상용화에 성공해 전 세계 사람들을 깜짝 놀라게 하기도 했죠. 
유선 충전과 달리 별도의 충전시설 설치나 연결 부품을 추가로 설치하지 않아도 무선 충전기 하나로 여러 대를 동시에 충전할 수 있는 기술이었습니다. 
이는 또한 전력 공급성이 땅 속에 매설되어 있어 안전성과 부지 활용 면에서도 매우 우수하다는 평가를 받았습니다.