견고성과 유연성, 전기전도도 모두 우수해 우주, 항공 분야 등 여러 분야에 활용될 수 있는 핵심 소재 기술이 개발됐다.
한국과학기술연구원(KIST) 탄소융합소재연구센터 김승민 박사, 기능성복합소재연구센터 정현수 박사, 서울대 재료공학부 박종래 교수 공동 연구팀은 기존 탄소나노튜브섬유 제조 방법들의 장점만을 융합, 가벼우면서 높은 강도와 전기전도도를 갖는 탄소나노튜브섬유(carbon nanotube fiber)를 빠르게 제조하는 방법을 개발했다고 밝혔다.
탄소나노튜브는 기존의 소재들이 갖고 있지 못한 우월한 물성을 보유하고 있는 것이 밝혀지며 탄소섬유를 뛰어넘을 수 있는 유일한 소재로 큰 기대를 받았다. 하지만 길이가 밀리미터 수준에도 미치지 못하는 수준으로 매우 짧아 실제 소재로 활용하지는 못하고 있다. 이를 극복하기 위해 볏짚을 꼬듯이 꼬아 섬유화시키는 연구가 진행되고 있다.
탄소나노튜브섬유를 제조하는 방법은 직접방사법과 습식방사법으로 분류가 된다. 직접방사법(direct spinning)은 탄소나노튜브 합성부터 섬유화까지 한 번에 이루어진다. 습식방사법(wet spinning)는 탄소나노튜브를 용매에 분산해 섬유화한다. 아직까지는 제작된 소재가 기존 소재보다 뛰어나지 못하거나 제조 공정이 복잡해 상용화되지 못하고 있다.
KIST 연구진은 기존 두 가지 탄소나노튜브섬유 제조법의 장점만을 융합하여 새로운 제조 방법을 개발했다. 직접방사법을 제조하는 방법은 공정이 비교적 간단하지만 만족할 만한 성능이 나오지 않아 후처리 공정이 필요했다. KIST 연구팀은 이 후처리공정에 습식방사법에서 사용되는 용매와 응고방식을 적용했다.
(a, d) 비강도 값 비교를 보여주는 인장강도 그래프
(b, e) 섬유내 탄소나노튜브 정렬도 비교를 보여주는 편광라만 데이터
(c, f) 밀집도 비교를 보여주는 주사전자현미경 사진.
특히 개발된 제조 방법은 탄소나노튜브의 합성에서부터 섬유화 및 고강도화를 위한 집적화 공정까지 수 분내에 이루어지는 방법으로써, 향후 탄소나노튜브섬유를 상용화하는 데 있어 핵심 기술로 활용될 것으로 보인다.
KIST 탄소융합소재연구센터 김승민 박사는 “기존 산업에 사용되는 소재의 물성을 능가할 수 있는 탄소나노튜브섬유를 매우 효율적으로 제조할 수 있는 방법을 제시했다는 데 본 연구의 중요성이 있다. 향후 확보된 탄소나노튜브섬유 제조 기술을 더욱 발전시키는 데 매진하겠다”고 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 오픈리서치프로그램으로 수행, 과학 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’(Nature Communications, IF: 11.88, JCR 분야 상위 : 6.52%)에 최신호에 게재 됐다. 관련 기술은 한국(특허번호: 10-1972987), 미국(특허번호: 10246333)에 특허 등록됐다.
*(논문명) ‘Direct spinning and densification method for high-performance carbon nanotube fibers’
– (제 1저자) 한국과학기술연구원 이재근 박사
– (제 1저자) 한국과학기술연구원 이동명 연구원
– (제 1저자) 서울대학교 정연수 박사과정
– (교신저자) 한국과학기술연구원 김승민 박사
– (교신저자) 한국과학기술연구원 정현수 박사
– (교신저자) 서울대학교 재료공학부 박종래 교수
에너지, 전기, 환경 에디터.
