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비약적으로 물성이 향상된 탄소나노튜브 섬유 제조기술
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신기술 소개
작성일
2025-03-06
조회수
263
첨부파일

비약적으로 물성이 향상된 탄소나노튜브 섬유 제조기술


​

탄소융합소재연구센터 정현수 박사​

 



지금까지 발견된 물질 중 가장 단단하고 강한 물질인 탄소나노튜브, 이를 섬유화한 탄소나노튜브 섬유는 미시적 탄소나노튜브들이 축 방향에 따라 정렬하여 밀집된 거시적인 1D 형태의 조립체이며, 탄소나노튜브가 모여 번들을 형성하고 번들이 모여 섬유를 형성하는 계층 구조를 갖고 있다.

탄소나노튜브는 기계적, 전기적, 열적 특성이 매우 우수하여 섬유로 제조하게 되면 유리 섬유, 아라미드 섬유, 탄소 섬유와 같은 기존의 섬유 재료의 물성을 뛰어 넘는 고성능 재료로 사용될 수 있다. 또한, 가볍고 유연하기 때문에 우주, 자동차, 선박과 같은 운송 분야에서 획기적인 연비 절감이 가능하며, 웨어러블 디바이스, 웨이러블 에너지 소재 등 많은 분야에서 고기능성 섬유로 응용할 수 있어 `어벤저스 섬유'로도 불리고 있다.

 

이러한 탄소나노튜브 섬유의 연속 생산 방식은 습식방사와 직접방사가 대표적이며, 이 중 직접방사법은 탄소나노튜브가 합성되는 동시에 섬유화가 바로 가능한 one-step 섬유 제조 방식으로 전 세계적으로 가장 많이 연구되고 있으며 현재 미국, 영국, 이스라엘, 중국 그리고 한국 등 몇몇 선진국을 중심으로 산업화가 시도되고 있다. 하지만 직접방사 섬유는 에어로겔 형태의 탄소나노튜브들을 물과 같은 비친화적인 용매들로 응집을 시키기 때문에 밀집도와 정렬도가 떨어지는 단점이 있으며, 결과적으로 전기전도도와 기계적 강도가 습식방사 섬유에 비해 열위에 있다. 이를 극복하기 위해 합성부터 합성된 섬유의 후처리 등 직접방사 제조방식에 관하여 다양한 연구가 진행되고 있으며 이 중 현실적으로 후처리를 통해 내부구조를 제어하는 방법이 다수 연구되었다. 그러나 그동안 개발되었던 후처리 방식들은 시간이 너무 오래 걸리고 복잡할 뿐만 아니라 물성 향상 효과도 미미하여 빠른 시간 안에 섬유 제조가 가능한 직접방사법의 장점을 살릴 수 있는 고효율의 후처리 연구가 필요한 상황이다.

 

KIST 탄소융합소재연구센터 정현수 박사 연구팀은 습식방사법의 원리를 활용하여 직접방사 섬유의 내부구조를 매우 빠른 시간 (수분)안에 제어하고 이를 기반으로 물성을 비약적으로 향상시킬 수 있는 기술을 개발하였다. 이 후처리 공정은 2단계의 용매 처리 방식으로, 1단계에서는 섬유의 용해도를 증가시켜 섬유를 재정렬시키고 2단계에서는 상분리를 유도하여 재정렬시킨 섬유를 응고하였다. 제조된 섬유의 정렬도 및 밀집도는 처리 전 섬유에 비해 약 240%, 160%로 각각 매우 크게 향상되었으며 세계 최고 수준의 비강도(4.4 N/tex) 값과 금속에 버금가는 비전기전도도(2270 Sm2/kg) 값을 보여주었다 (그림 1). 연구진은 더 나아가, 랩 스케일이 아닌 산업 스케일에서 생산된 섬유에 이 후처리 공정법을 적용하여 원섬유대비 인장강도는 26배 상승, 전기전도도는 10배 상승의 결과를 얻어, 이 공정법이 저선밀도부터 고선밀도 섬유까지 모두 적용됨을 검증하였다 (그림 2).

개발된 후처리 공정의 또 다른 의의는 언급한 공정들이 수분 내로 이루어지며 연속 처리가 가능하여 공정성이 뛰어나다는 것으로, 향후 이 공정이 탄소나노튜브 섬유 상용하에 있어 핵심기술로 활용될 것으로 보인다. 생산성과 물성을 모두 갖춘 탄소나노튜브 섬유는 전기전도성과 강도 뿐만 아니라 가볍고 유연하므로 (그림 3) 향후 우주·항공 분야는 물론 웨어러블 전자소자, 센서, 복합소재 등 여러 응용 분야에 핵심 소재로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.


 

[그림2] 섬유 후처리 공정 모식도 및 후처리된 섬유의 비전기전도도 및 비강도


[그림3] 고선밀도 탄소나노튜브 섬유대상 후처리 검증 결과


[그림4] 후처리된 섬유의 강도, 전기전도도 물성 실증 및 유연성 검증

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