Toray, 세계 최초 연속 나노/마이크로 기공 탄소섬유 개발... 기체 분리막·배터리 응용 기대

Toray Industries(도쿄, 일본)가 2019년 11월 중순, 연속적인 나노 및/또는 마이크로 스케일 기공 구조를 가진 세계 최초의 다공성 탄소섬유 개발을 발표했다. 5년 내 상용화를 목표로 한다.

기체 분리 기술 혁신 잠재력

주요 응용 분야 중 하나는 이산화탄소(CO₂), 바이오가스, 수소 등 각종 기체 분리에 쓰이는 기체 분리 기술이다. 기존 대형 플랜트 방식은 에너지 소모와 CO₂ 배출이 크다. 나노다공성 막을 이용한 새로운 접근법은 에너지 소비를 크게 줄이지만, 지금까지 대규모 장기 사용에 필요한 효율성과 내구성이 부족했다.

Toray의 다공성 탄소섬유는 현재 기체 분리막의 성능을 향상시켜 막을 더 얇고, 가볍고, 컴팩트하게 만들며 내열성, 내압성, 내화학성을 높여 이 문제를 해결할 잠재력이 있다. 수소 연료전지용 수소 생산에도 응용 가능하다.

다공성 여과 매체 배경

나노/마이크로 다공성 여과 매체는 새로운 개념이 아니다. PES, PSU, PVDF, PTFE, 셀룰로오스 아세테이트 등 열가소성 폴리머가 평막 및 섬유 형태로 사용된다. 용도는 고성능 정수 필터, 식음료 여과, 의료용 필터(혈액 분리·투석), 산업용 기체 분리 등 다양하다. 더 까다로운 조건에는 세라믹(산화알루미늄)이나 금속(이산화티타늄, 스테인리스강)도 쓰인다.

여과 매체는 용도에 따라 0.1µm(마이크로여과), 0.01µm(초여과), 0.001µm(나노여과), 0.0001µm(역삼투) 등 기공 크기로 구분된다. 핵심 요구사항은 광범위한 내화학성, 기계적 강도, 투과성, 낮은 파울링이다.

다공성 탄소섬유의 독창적 장점

활성탄은 미세 구멍으로 표면적을 늘려 흡착/화학 반응용으로 저성능 여과 시스템에 쓰여왔다. 하지만 본질적으로 고체라 투과 기능이 표면에 국한되고 물리적 여과 위주라 분리 가능한 물질의 종류와 크기가 제한된다.

반면 Toray의 다공성 탄소섬유(또는 이를 분쇄한 분말)는 구조 전체에 기공이 연속되어 물리적·화학적 여과가 모두 가능하다. 원자 탄소의 흡착 특성을 활용해 고성능 배터리의 전극 소재와 촉매 담체로도 유용하다. 또한 탄소는 모든 고체 형태에서 우수한 열전도체이자 전기전도체다.

Toray는 기공 크기(마이크로~나노 레벨)와 단면 기공 형상을 고체 다공성 섬유든 중공 다공성 섬유든(중앙 축이 있는) 상관없이 제어 가능하다고 보고한다. 이미 '큰' 기공과 '작은' 기공 생성에 성공했으나 구체적 크기는 미공개. 탄소섬유는 이미 탄화·흑연화되어 화학적으로 안정하고 매우 강하고 강직하며, 이 특성도 더 강하고 컴팩트한 기체 분리막 생산에 활용 가능하다.

3대 핵심 기술 융합으로 개발, 오픈 이노베이션으로 상용화 가속

Toray는 폴리머, 탄소섬유, 분리막/정수 기술 3대 내부 전문성을 결합해 신제품을 개발했다. 2019년 12월 11일 시가현 오쓰시 시가 공장 부지에 신규 R&D 이노베이션 센터를 개소하여 다공성 탄소섬유 등 전략 이니셔티브의 글로벌 본부로 삼고, 학계·산업 파트너와 협력 중이다.

이미 여러 파트너와 협력해 천연가스·바이오가스 정제, 연료전지용 수소 생산(전기차·건물 전원용) 등 경제적·친환경적 고성능 기체 분리막 상용화를 추진 중이다. Toray의 다공성 탄소섬유를 지지층으로, 파트너 기술을 기체 분리층으로 하는 4층 시스템 개념을 개발해 천연가스(A층), 바이오가스(B층), 수소(C층), 프로필렌(D층) 분리·정제가 가능할 전망이다.

탄소 재활용, 수소 에너지 생산, 산업 환경 발자국 축소 연구도 지속 중이며, 2050년 저탄소 경제 실현을 위한 Toray 그룹 지속가능성 비전의 한 축이다.