국내 연구진, 탄소섬유 뛰어넘을 '탄소나노튜브섬유' 제조 방법 개발

[이데일리 이연호 기자] 한국과학기술연구원(KIST)은 탄소융합소재연구센터 김승민 박사, 기능성복합소재연구센터 정현수 박사, 서울대학교 재료공학부 박종래 교수 공동 연구팀이 기존 탄소나노튜브섬유 제조 방법들의 장점만을 융합해 매우 가벼우면서 높은 강도와 전기전도도를 갖는 탄소나노튜브섬유를 빠르게 제조하는 방법을 개발했다고 1일 밝혔다.

처리 전(a, b, c), 처리 후 (d, e, f) 탄소나노튜브의 물성비교. (a, d) 비강도 값 비교를 보여주는 인장강도 그래프. (b, e) 섬유내 탄소나노튜브 정렬도 비교를 보여주는 편광라만 데이터. (c, f) 밀집도 비교를 보여주는 주사전자현미경 사진. 그래픽=KIST.

탄소나노튜브섬유(carbon nanotube fiber)는 탄소만으로 구성된 원통형의 나노 구조체로 구성된 매크로 섬유다.

탄소나노튜브는 기존 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 꽈 섬유화하는 연구가 진행되고 있다.

탄소나노튜브섬유를 제조하는 방법은 직접방사법과 습식방사법이 있다. 전 세계 연구자들은 이 두 가지 방식 중 하나에 매진해 연구하고 있으나 아직까지는 제작된 소재가 기존 소재보다 뛰어나지 못하거나 제조 공정이 복잡해 상용화되지 못하고 있다.

직접방사법(direct spinning)은 탄소나노튜브 합성부터 섬유화까지 한 번에 이뤄지는 방식이고 습식방사법(wet spinning)은 탄소나노튜브를 용매에 분산해 섬유화 하는 방식이다.

KIST 연구진은 기존 두 가지 탄소나노튜브섬유 제조법의 장점만을 융합해 새로운 제조 방법을 개발했다. 직접방사법을 제조하는 방법은 공정이 비교적 간단하지만 만족할 만한 성능이 나오지 않아 후처리 공정이 필요했다. 연구팀은 이 후처리공정에 습식방사법에서 사용되는 용매와 응고방식을 적용했다. 이 방법으로 제조된 탄소나노튜브섬유는 탄소섬유만큼이나 단단하고 금속 소재에 버금가는 전기전도도를 보유하고 있으며 일반 섬유와 같은 유연성을 갖고 있어 향후 우주, 항공 분야는 물론 웨어러블 전자 소자, 센서, 복합 소재 등 여러 응용 분야에 핵심 소재로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

특히 개발된 제조 방법은 탄소나노튜브의 합성에서부터 섬유화 및 고강도화를 위한 집적화 공정까지 수 분내에 이뤄지는 방법으로 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 이 연구의 중요성이 있다”며 “향후 확보된 탄소나노튜브섬유 제조 기술을 더욱 발전시키는 데 매진하겠다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 오픈리서치프로그램을 통해 수행됐으며 국제 저명 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션스’(Nature Communications) 최신호에 게재됐다. 또 관련 기술은 한국(특허번호: 10-1972987)과 미국(특허번호: 10246333)에 특허 등록됐다.