▲ 탄소구조 중앙에 질소원자가 위치하거나 layer와 layer 사이에 탄소원자가 위치하여 layer를 연결된 탄소섬유의 미세구조를 나타내고 있으며 이는 본 연구를 통하여 제시된 모식도임. .

국내 연구진이 열처리 과정중 화학적 조절을 통해 탄소섬유의 고강도화를 이끌어 냈다. 기존의 기계적 특성 조절에 물리적 구조 결함이 중요 요인으로 작용했다면 이번 연구로 화학적구조도 함께 고려해야함이 밝혀져 향후 기존의 탄소섬유 물성을 뛰어넘을 초 고강도 탄소섬유 연구에 큰 도움이 될 것으로 보인다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 11일 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 탄소융합소재 연구센터 이성호 박사팀과 일본 신슈대학의 Endo 교수팀, 전북대학교 김환철 교수팀이 화학적 구조규명을 통한 고강도 탄소섬유 제조 원천 기술을 개발했다고 밝혔다.

가볍고 높은 기계적 강도를 가져 구조용 복합소재의 강화 소재로 각광 받는 탄소섬유는 고분자인 폴리아크릴로니트릴을 고온에서 열처리해 제조한다.

열처리 과정에서 섬유 구조의 변화가 발생하며 필연적으로 구조적 결함이 발생한다. 결함의 크기가 작을수록 고강도의 탄소섬유를 만드는 것이다.

이처럼 현재까지 탄소섬유는 내외부에 존재하는 물리적 구조 결함에 따라 기계적 물성이 좌우된다는 이론으로 연구개발이 진행되어왔고 탄소섬유의 결함을 마이크로크기에서 나노크기를 줄이거나 결함의 함량을 줄이는 방향으로 탄소섬유 강도를 증가시키는 연구가 진행됐다.

이에 이성호 박사팀은 일반적으로 알려진 물리적 특성이 아닌 화학적 특성을 조절해 탄소섬유의 강도를 증가시키는 방식으로 연구를 진행하였다.

열처리 공정중 다양한 가스가 방출 되는데 이때 탄소섬유 속에 남아있는 질소원소의 결합 형태가 달라지며, 특히 탄소구조 가운데 질소가 함유된 형태로 존재할 경우 강도가 증가하는 것을 확인한 것이다.

기존에는 질소원소는 불순물로 여겨져 가능한 많이 제거하여 탄소섬유의 강도를 높이고자 하였으며 sp3 구조보다 sp2 구조가 탄소섬유 물성에 영향을 많이 주는 인자로 알려져 왔다.

연구진은 열처리 조건에 따라 특정 결합을 갖는 질소원소와 sp3 구조 함량의 조절이 가능하며 특정 질소원소와 sp3 구조 함량 증가로 탄소섬유의 강도가 50% 향상되는 실험결과를 얻었다고 밝혔다.

이러한 결과는 전산모사를 통하여 새로운 탄소섬유의 화학적 구조가 제시되었고 탄소섬유 강도 제어가 가능하다는 결과를 도출하였다.

연구를 주도한 KIST 이성호 박사는 “기존의 물리적 구조제어 연구와 함께 탄소나노섬유의 화학적 구조를 조절하여 기계적 강도를 극대화 할 수 있을 것으로 보이며, 향후 다양한 산업분야로 확대가 가능할 것으로 예상한다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 미래부 지원으로 KIST 기관고유연구사업과 산업부 탄소밸리 연구사업에서 지원되었으며, 연구 결과는 영국 네이처 출판 그룹(Nature publishing group: NPG)에서 주간으로 발행하는 과학전문저널인 Scientific Reports에 2016년 3월 23일자로 게재됐다.