탄소나노튜브섬유(carbon nanotube fiber)는 탄소만으로 구성된 원통형의 나노 구조체로 구성된 매크로 섬유입니다. 섬유탄소나노튜브는 기존의 소재들이 갖고 있지 못한 우월한 물성을 보유한 점이 밝혀지며 탄소섬유를 뛰어넘을 수 있는 유일한 소재로 큰 기대를 받았습니다. 하지만 길이가 밀리미터 수준에도 미치지 못할 정도로 매우 짧아 실제 소재로 활용하지 못하고 있는데요. 이를 극복하기 위해 볏짚을 꼬듯 꼬아 섬유처럼 만드는 연구가 진행되고 있습니다.
탄소나노튜브섬유를 제조하는 방법은 직접방사법과 습식방사법으로 분류가 됩니다. 직접방사법은 탄소나노튜브 합성부터 섬유화까지 한 번에 이루어지는 방식을 말합니다. 습식방사법은 탄소나노튜브를 용매에 분산해 섬유화 하는 방식을 말하죠. 전 세계 연구자들은 위 두 가지 방식 중 하나에 매진해 연구하고 있습니다. 하지만 아직까지는 제작된 소재가 기존 소재보다 뛰어나지 못하거나 제조 공정이 복잡해 상용화되지 못하고 있죠.
한국과학기술연구원(KIST) 탄소융합소재연구센터 김승민 박사, 기능성복합소재연구센터 정현수 박사, 서울대학교 재료공학부 박종래 교수 공동 연구팀은 매우 가벼우면서 높은 강도와 전기전도도를 갖는 탄소나노튜브섬유를 빠르게 제조하는 방법을 개발했다고 밝혔습니다. <Nature Communications>에 게재된 논문에 따르면 연구팀은 기존 두 가지 탄소나노튜브섬유 제조법의 장점만을 융합해 새로운 제조 방법을 개발했다고 합니다.
밀집도와 정렬도 개선했다
기존 후처리 공정 연구들은 직접방사법으로 생산된 섬유의 낮은 밀집도와 정렬도를 개선하기 위해 고분자로 내부를 충진하거나 용매 증발에 의한 모세관 효과를 이용해 단점을 극복했습니다. 그러나 섬유의 정렬도와 밀집도를 동시 향상시키는데 한계가 있었으며 무엇보다 시간이 오래걸려 직접방사법의 빠른 공정의 장점을 상쇄시킨다는 단점이 있었죠.
(a, d) 비강도 값 비교를 보여주는 인장강도 그래프
(b, e) 섬유내 탄소나노튜브 정렬도 비교를 보여주는 편광라만 데이터
(c, f) 밀집도 비교를 보여주는 주사전자현미경 사진. 출처: KIST
연구팀은 습식(액정)방사에 쓰이는 용매와 응고방식을 직접방사 탄소나노튜브 섬유의 후처리 공정에 접목시켰습니다. 연구팀은 액정방사에 쓰이는 강산(chlorosulfonic acid)을 이용해 직접방사 탄소나노튜브 섬유의 용해도를 증가시켜 탄소나노튜브들이 움직일 수 있는 환경을 조성했습니다. 동시에 장력을 섬유의 축 방향으로 인가해 정렬도를 증가시키면서 섬유를 재정렬했습니다.
(b) 본 연구에서 개발된 방식으로 산업적용을 위해 고안한 직접방사법 연속 후처리 공정 모식도. 출처: KIST
그 후 연구팀은 습식(액정)방사 고밀도화 방식인 상분리(phase separation)에 기반해 재정렬된 직접방사 섬유를 아세톤 응고액에 바로 투입하고 고밀도화시켰습니다. 그 결과 연구팀이 만든 섬유의 정렬도와 밀집도는 처리 전 섬유에 비해 약 240%, 160% 각각 매우 크게 동시 향상됐습니다. 세계 최고 수준의 비강도(4.4 N/tex) 값과 금속에 버금가는 비전기전도도(2270 Sm2/kg) 값을 보여줬습니다. 무엇보다 각 처리 방식에 소요되는 시간이 1분 미만으로 직접방사 공정에 바로 부착이 가능한 연속 후처리 공정의 가능성을 보여줬으며 산업적으로 적용할 수 있다고 합니다.
응용 가능성
탄소나노튜브섬유는 다른 슈퍼 섬유들에 비해 뛰어난 기계적 강도와 전기전도도를 나타내고 있어 초경량, 초고전도성 도선으로 응용이 가능합니다. 이를 기반으로 자원이 한정된 무거운 기존 금속도선을 대체할 수 있어 미국과 일본에서 각광받고 있죠.
탄소나노튜브섬유는 특히 우주, 자동차, 선박과 같은 운송분야에서 획기적인 연비 절감이 가능합니다. 뿐만 아니라 탄소나노튜브섬유는 일반 섬유처럼 매우 유연해서 고유연성을 이용한 차세대 웨어러블 디바이스, 웨어러블 에너지소재 등 많은 분야에서 고기능성능 섬유로 응용이 가능합니다.
KIST 탄소융합소재연구센터 김승민 박사는 "기존 산업에 사용되는 소재의 물성을 능가할 수 있는 탄소나노튜브섬유를 매우 효율적으로 제조할 수 있는 방법을 제시했다는데 본 연구의 중요성이 있다"고 강조하며 "향후 확보된 탄소나노튜브섬유 제조 기술을 더욱 발전시키는 데 매진하겠다"고 밝혔습니다.
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