국내 연구진이 제조 어려움 때문에 상용화가 더딘 탄소나노튜브섬유의 새 제조법을 제시했다. 합성부터 섬유화, 고강도화를 위한 집적화 공정이 수분 내에 이뤄지는 방식으로 탄소나노튜브 상용화의 핵심 기술로 활용될 전망이다.
한국과학기술연구원(KIST)은 김승민 융합소재연구센터 박사, 정현수 기능성복합소재연구센터 박사, 박종래 서울대 재료공학부 교수 공동 연구팀이 기존 탄소나노튜브섬유 제조 방법의 장점만을 융합해 가벼우면서 높은 강도와 전기전도도를 갖는 탄소나노튜브섬유를 빠르게 제조하는 방법을 개발했다고 1일 밝혔다.
탄소나노튜브섬유는 탄소만으로 구성된 원통형의 나노 구조체로 구성된 섬유다. 다른 슈퍼 섬유에 비해 무게 대비 뛰어난 기계적 강도와 전기전도도를 지녔다. 초경량, 초고전도성 때문에 도선으로 사용할 수 있어 무거운 기존 금속도선을 대체할 소재로 주목받는다. 우주, 자동차, 선박과 같은 운송 분야에서 획기적 연비절감을 이끌 소재라는 평가다.
유연성도 지니고 있어 차세대 웨어러블 디바이스, 웨어러블 에너지소재 등 분야에서 고기능성능 섬유로 응용할 수 있다.
하지만 길이가 밀리미터(㎜) 수준에도 미치지 못해 상용화 단계에 진입하지 못했다. 이를 극복하기 위해 볏짚을 꼬듯이 꼬아 섬유화하는 연구가 활발하다. 탄소나노튜브 합성부터 섬유화까지 한 번에 이루어지는 직접방사법, 탄소나노튜브를 용매에 분산해 섬유화 하는 습식방사법이 대표적이다. 세계 연구계가 두 가지 중 하나를 택해 연구하고 있으나 기존 소재를 뛰어넘는 성능을 보유한 소재를 상용화하지 못했다.
연구진은 기존 제조 방식의 장점만을 융합해 새 제조법을 개발했다.
직접방사법을 제조하는 방법은 공정이 비교적 간단하지만 만족할 만한 성능이 나오지 않아 후처리 공정이 필요하다. 후처리공정에 습식방사법에서 사용하는 용매, 응고방식을 적용했다.
이렇게 제조한 탄소나노튜브섬유는 탄소섬유와 유사한 강도, 금속 소재에 버금가는 전기전도도, 일반 섬유 수준의 유연성을 나타냈다. 새 제조법은 탄소나노튜브 합성부터 고강도화를 위한 집적화 공정이 수분 내 이루어진다.
김승민 KIST 박사는 “기존 대비 소재 물성이 개선된 탄소나노튜브섬유를 매우 효율적으로 제조할 수 있는 방법을 제시했다는 데 의의가 있다”고 설명했다.
이번 연구는 '네이처 커뮤니케이션스' 최신호에 실렸다. 관련 기술은 한국, 미국에서 특허 등록됐다.
최호 정책기자 snoop@etnews.com
