경량화는 전기 자동차, 드론, 우주선의 공통 목표입니다. 기계가 가벼울수록 에너지 소비가 적어 배터리가 더 효율적으로 작동하고 더 먼 거리를 비행할 수 있습니다. 경량화는 지속 가능성과도 밀접한 관련이 있습니다. 전반적인 성능이 향상되어 탄소 배출량이 낮아지기 때문입니다. 이러한 노력의 중심에는 전기 모터가 있습니다. 모터 코일은 모터 무게의 큰 부분을 차지하며 대부분의 코일은 구리를 사용합니다. 구리는 전기를 잘 전도하지만 자원 수급 문제, 가격 변동, 고밀도로 인한 무게 증가 등 몇 가지 문제를 안고 있습니다.
한국과학기술연구원(KIST) 복합재료연구소 김대윤 박사팀이 금속 없이 탄소나노튜브(CNT)만으로 코일을 만든 전기모터를 개발했다. 테스트에서 팀은 입력 전압의 변화에 따라 모터의 분당 회전수(RPM)를 제어할 수 있었습니다. 이는 전기 모터가 금속 도체를 사용하지 않고도 전기 에너지를 회전력으로 변환하는 기본 기능을 수행할 수 있음을 보여줍니다.
탄소나노튜브(CNT)는 탄소 원자가 육각형 벌집 구조로 배열된 1차원 관형 나노물질이다. 일반 금속보다 훨씬 가볍고 전기 전도성이 높고 기계적 강도가 강하며 열 전도성이 좋습니다. 그럼에도 불구하고 CNT는 실제 응용 분야에서 여전히 많은 어려움에 직면해 있습니다. 가장 큰 문제 중 하나는 제조 공정에서 남은 촉매 금속입니다. 이러한 금속 입자는 CNT 표면에 달라붙어 전기 성능을 저하시켜 모터 부품에 직접적인 영향을 미칠 수 있습니다.
KIST팀은 액체와 고체 사이의 '물질의 4번째 상태'인 액정의 배향 거동을 활용한 새로운 탄소나노튜브(CNT) 정제 공정을 개발했다. 탄소나노튜브의 방향이 바뀌면서 자연스럽게 덩어리가 분해되고 표면의 금속 입자가 제거되는 데 도움이 됩니다. 핵심은 탄소나노튜브의 나노구조를 손상시키지 않으면서 불순물을 선택적으로 제거할 수 있다는 점이다. 이는 많은 액체 및 기체상 정제 방법과 다릅니다. 생성된 탄소 나노튜브는 실제 전기 모터에서 작동할 수 있을 만큼 전도성이 더 높습니다.
그런 다음 연구원들은 정제된 탄소 나노튜브로 코일을 만들고 다양한 전압에서 안정적인 속도 제어를 나타내는 모터를 작동했습니다. 이 접근 방식을 확장할 수 있다면 코일을 가벼워 모터 무게와 전체 시스템 질량을 줄일 수 있습니다. 또한 구리에 대한 의존도를 줄이고 가격 및 공급 위험을 낮출 수도 있습니다. 실제 작동 조건에서 전력 밀도, 효율성, 열 처리 및 비용 측면에서 구리 기반 설계의 성능을 비교하려면 향후 연구가 필요합니다.
한국과학기술연구원 김대윤 박사는 “전례없는 신개념 CNT 고품질 기술 개발을 통해 CNT 코일의 전기적 성능을 극대화해 메탈프리 모터를 구동할 수 있게 됐다”며 “CNT 소재 혁신을 바탕으로 배터리 전도성 소재, 반도체 필름, 로봇 케이블 등 소재를 최초로 국산화하겠다”고 말했다.
출처 : KIST