탄소나노튜브로 K-탄소섬유 제조 역사 새롭게 쓴다

탄소나노튜브로 K-탄소섬유 제조 역사 새롭게 쓴다

-‘우주 엘리베이터’개발에 필요한 초고강도·초고탄성 탄소나노튜브 섬유

- 우주, 국방, 항공 산업 미래 먹거리 창출 및 소재 강국으로 진입 기대

지구 표면과 우주기지를 연결하여 로켓보다 훨씬 저렴하게 사람과 물자를 운송할 수 있게 해주는 ‘우주 엘리베이터’. 이러한 우주 엘리베이터를 현실화시키기 위해서는 매우 가벼우면서도 튼튼한 소재가 필요하다. 탄소나노튜브는 강철의 100배 이상 강한 강도를 가지지만 무게는 4배 이상 가벼운 신소재로서 우주 엘리베이터뿐만 아니라 우주, 국방, 항공 분야 등에서 꿈의 소재로 주목받고 있다. 게다가 구리 수준의 높은 전기전도도와 다이아몬드 수준의 열전도도를 가지고 있다. 그러나 탄소나노튜브를 섬유화할 경우 인접한 탄소나노튜브와의 접촉 면적이 낮고, 길이가 짧아 물성이 저하되는 문제가 있어 광범위한 사용이 어려웠다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 전북 복합소재기술연구소 탄소융합소재연구센터 구본철 박사 연구팀이 수원대학교(총장 박철수) 류성우 교수 연구팀과 스페인 임데아 머터리얼스 연구소(IMDEA Materials Institute) 빌라텔라 박사(Dr. Juan José Vilatela) 연구팀과의 공동연구를 통해 초고강도⦁초고탄성 탄소나노튜브 섬유 소재를 개발했다고 밝혔다.

기존 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 탄소섬유는 강도가 높고 탄성률이 낮으며, 피치(피치(Pitch): 석유계 잔사유로부터 만드는 인조흑연의 원료)계 탄소섬유는 강도보다는 탄성률이 높은 특징이 있다. 탄소섬유 강도와 탄성률을 동시에 향상시키는 연구는 탄소나노튜브를 약 1% 정도의 소량만 첨가하는 방향으로 이루어진데 반해, KIST-수원대-IMDEA 공동연구팀은 기존 탄소섬유 전구체인 고분자와 피치를 사용하지 않고 탄소나노튜브 단독 섬유를 제조하였다.

 연구진은 대량생산이 가능한  습식섬유 제조공정(습식방사 공정: 매우 높은 농도의 용액 도프(dope)를 제조하고 노즐을 통해 응고액에 투입하여 상 분리를 기반으로 고체화된 섬유를 연속생산하는 방식. 아라미드(aramid) 섬유가 대표적으로 습식방사를 기반으로 산업화된 섬유) 을 통해 고밀도⦁고 배향(배향: 고체 물질 속에서, 구성단위인 미세 결정이나 고분자 사슬이 일정 방향으로 배열되는 것) 탄소나노섬유를 제조한 후, 고온에서 열처리하여 흑연구조를 포함한 다양한 형태의 특이 구조로 전환시켰다. 이를 통해, 탄소나노튜브 접촉 면적이 늘어나도록 하였다. 이렇게 제조한 탄소나노튜브 섬유는 기존 탄소섬유가 보이지 못한 초고강도(6.57GPa)⦁초고탄성(629GPa) 특성을 동시에 보이며 유연성을 나타내는 매듭강도까지 높아 많은 응용이 기대되고 있다.(그림 2)

구본철 박사는 “탄소섬유 분야 후발 주자인 대한민국이 탄소나노튜브 소재를 이용해 해당 분야를 선도할 수 있는 K-탄소섬유 제조기술로서 우주·국방·항공 산업의 미래 먹거리를 창출하고 소재 강국으로 진입하는 중요한 기술”이라고 이번 연구의 의의를 설명했다. 또한 “탄소나노튜브 기반 초고강도·초고탄성 탄소섬유 제조 원천기술은 확보하였으나 핵심소재인 이중벽 탄소나노튜브 대량생산 기술이 선행되어야 초고성능 탄소섬유 양산이 가능한 상황”이라며 국가적 차원의 지원 및 산업계의 관심이 필요하다고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 개방형 연구사업 및 지역혁신 선도연구센터사업으로 수행되었으며, 연구결과는 ‘Science Advances’(IF: 14.14, JCR 6.25%) 최신 호에 게재되었다.

KIST 전북 복합소재기술연구소(김진상 분원장)는 2017년부터 4U복합소재개발사업을 추진하여 우주환경용 4가지 초물성(초경량·초고강도·초고전기전도도·초고열전도도) 소재 개발을 이끌었으며, NASA와 한국재료연구원, 한국원자력연구원, 포스텍, 전북대, 인하대, 동아대, 서울대 등과의 공동연구를 통해 세계적인 연구결과를 도출하고 있다.

 * (논문명) Ultrahigh strength, modulus, and conductivity of graphitic fibers by macromolecular coalescenc

   - (제 1저자) 한국과학기술연구원, 수원대 이동주 학생연구원

   - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김서균 박사후연구원

   - (교신저자) 스페인 IMDEA Materials Institute, Juan José Vilatela 박사

   - (교신저자) 수원대 신소재 공학과 류성우 교수

   - (교신저자) 한국과학기술연구원 구본철 책임연구원

연구결과 개요

1. 연구배경

 튜브 모양의 독특한 1차원 형태인 탄소나노튜브는 이론적으로 우수한 강도와 전기전도도, 열전도도 등을 가지는 신소재이다. 하지만, 탄소나노튜브를 섬유화하면 나노튜브의 길이(종횡비)가 짧으며 인접한 탄소나노튜브와의 결합력이 상대적으로 낮아 기계적 강도와 전기 및 열전도도 등의 물성이 이론적인 값보다 저하된다. 탄소나노튜브 섬유 연구가 2000년 초반부터 시작된 이래로, 탄소나노튜브 섬유의 물성을 이론값까지 향상시키기 위해 섬유방사 공정 조건의 최적화, 계면 결합력 향상, 이종재료와의 복합화 등의 연구가 진행되어왔다. CNT섬유 제조는 크게 건식과 습식 공정으로 구분되는 데 그 중 미국 라이스대학 교수이며 공동창업자인 파스콸리 교수가 창업한 DexMat이라는 기업은 유일하게 습식방사공정으로 CNT섬유를 제조하고 있으며 2015년부터 상업적인 생산을 추진해 오고 있다. KIST 전북 복합소재기술연구소는 기관고유사업으로 건식방사 및 습식 방사공정 기반으로 고성능 CNT섬유 제조연구를 해오고 있다.

2. 연구내용

 본 연구에서는 최적화된 습식 방사 조건에서 고배향⦁고밀도의 연속식 탄소나노튜브 섬유를 제조하였고, 이를 고온 열처리(흑연화 공정)를 통해 강도와 탄성률을 모두 향상시켰다. 열처리를 하는 과정에서 탄소나노튜브는 인접한 탄소나노튜브와 융합하는 것을 확인하였고, 이 과정에서 탄소나노튜브는 주변의 탄소나노튜브와의 접촉면적이 향상되었다. 또한, 기존에는 알려지지 않은 새로운 구조의 탄소나노튜브를 발견하였다.

 본 연구에서는 최적화된 열처리 공정을 통하여 강도⋅탄성률을 동시에 향상시켜, 기존의 탄소섬유가 이루지 못한 물성값에 도달하였다. 또한 고온에서 열처리를 했음에도 높은 유연성을 보이는 섬유를 얻었다. 

3. 기대효과

  본 연구를 통하여 만든 초고강도⦁초고탄성 탄소나노튜브 섬유는 차세대 탄소섬유로서, 우주 항공 및 국방 분야 등 미래 모빌리티 산업에서 먹거리를 창출 할 수 있을 뿐만 아니라 대한민국이 세계 탄소섬유 시장 및 연구를 선도할 수 있는 소재라고 볼 수 있다.

용어 설명

1. 탄소나노튜브(Carbon nanotube)

- 탄소와 탄소가 이중결합을 하여 육각형 형태를 이루는 구조가 튜브의 형태로 반복되어 독특한 구조를 가지는 신소재로 우수한 강도와 전도도를 가지고 있음.

- 탄소나노튜브는 튜브 벽의 개수에 따라 단일벽, 이중벽, 다중벽 탄소나노튜브로 불림.

- 국내에서는 엘지화학과 제이오 등에서 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)를 생산 중이며, 제이오와 코본(구 KH케미칼)에서 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT) 연구개발 중임.

2. 탄소섬유

- 탄소섬유는 탄소 함유율이 90% 이상인 섬유로 주로 폴리아크릴로니트릴(PAN)과 석유 잔사유로 만드는 피치로부터 제조됨. PAN 고분자 기반의 탄소섬유는 도레이, 효성 등에서 생산하고 있으며 강도가 높고 탄성률이 낮은 특징이 있고, 미쯔비시케미칼 등에서 생산하고 있는 피치계 탄소섬유는 강도보다는 탄성률이 높은 특징이 있음.

3. 인장강도와 탄성률, 인성, 매듭강도

- 강도는 힘을 가하는 방향에 따라 인장강도, 압축강도, 전단강도 등으로 나뉨. 인장강도(GPa)는 재료의 양 끝에서 잡아당겼을 때 받는 힘을 단위면적으로 나눈 값을 지칭함.

- 탄성률은 외부에서 힘을 받았을 때 원래대로 돌아오려고 하는 힘을 말하며, 변형이 일어나기 어려운 재료일수록 탄성률이 높다고 볼 수 있음.

- 인성(Toughness)은 재료 파괴가 일어날 때까지 물질이 흡수할 수 있는 에너지의 양이며, 인성이 높을수록 재료가 외부 힘에 더 잘 견딘다고 볼 수 있음. 방탄복 경우 이 수치가 중요함.

- 매듭강도는 매듭을 한 번 묶은 뒤 측정한 인장강도로, 유연한 재료일수록 매듭강도가 초기 인장강도와 유사한 수준임.

4. 우주 엘리베이터 (Space elevator)

- 우주 엘리베이터는 지구 표면과 우주기지를 케이블로 연결하여 사람, 물자 등을 쉽고 빠르게 운송할 수 있게 만든 미래 운송수단임. 지구의 정지궤도 상에 거대한 인공위성을 띄우고, 지표면에서 그 위성까지 케이블을 연결해서 엘리베이터와 같은 방식으로 우주에 물건을 운송하자는 아이디어로 1895년 러시아 치올콥스키가 처음으로 구상하였다고 함. 이러한 프로젝트를 현실화하고 있는 기업은 일본의 대형 건설기업인 오바야시 건설사이며, 2050년까지 우주 엘리베이터를 이용해 인간을 우주로 보내겠다는 야심찬 계획을 발표한 바 있음.

- 우주 엘리베이터를 활용하게 된다면 로켓을 발사하는 비용의 100분의 1 정도가 소요될 것으로 예상됨. 최근에는 탄소나노튜브와 같은 고강도 소재의 등장으로 개발 가능성이 커지고 있으나, 강도가 목표물성의 1/10~1/20 수준으로 낮아 실현이 어려운 상황임.