탄소나노튜브섬유 실물사진(KIST 제공)© 뉴스1

다른 슈퍼섬유보다 무게대비 뛰어난 기계적 강도와 전기전도도를 가지는 '탄소나노튜브섬유'를 1분 내 제작할 수 있는 기술이 개발됐다. 이 기술은 우주, 자동차, 선박이나 차세대 웨어러블 디바이스 등의 소재로 활용될 수 있을 전망이다.한국과학기술연구원(KIST)은 김승민 탄소융합소재연구센터 박사·정현수 기능성복합소재연구센터 박사·박종래 서울대 재료공학부 교수가 공동연구를 통해 기존 탄소나노튜브섬유 제조 방법인 '직접방사법'과 '습식방사법'을 활용해 1분 내로 탄소나노튜브섬유를 제조할 수 있는 방법을 개발했다고 1일 밝혔다.

탄소나노튜브섬유는 탄소만으로 구성된 원통형 나노 구조체로 구성된 매크로 섬유다. 기존의 소재들보다 뛰어난 경량성·내구성·전도성을 지니지만 길이가 밀리미터 수준에도 미치지 못하는 매우 작은 규모로 실제 소재로 활용하는 데 한계가 있다. 이를 극복하기 위해 볏짚을 꼬듯 섬유화하는 연구가 진행 중이다.

탄소나노튜브섬유를 제조하는 방법은 탄소나노튜브 합성부터 섬유화까지 한 번에 진행하는 '직접방사법'과 탄소나노튜브를 용매에 분산해 섬유화하는 '습식방사법'으로 나뉜다. 그러나 이러한 제조공정은 매우 복잡해 상용화되지 못하고 있다.

연구팀은 기존 두 제조법을 활용해 새 제조법을 개발했다. 비교적 간단한 직접방사법의 성능을 높이기 위해 후처리 공정을 진행했다. 후처리공정에 습식방사법에서 사용되는 용매와 응고방식을 적용했다. 습식방사에 쓰이는 강산을 이용해 직접방사 탄소나노튜브섬유의 용해도를 높여 탄소나노튜브들이 움직일 수 있는 환경을 조성하고 장력을 섬유 축 방향으로 인가해 정렬도를 높여 섬유를 재정렬했다.제조된 섬유의 정렬도와 밀집도는 처리 전 섬유보다 각각 약 240%와 160%가 늘었다. 비강도는 4.4 N/tex(섬유 1km 길이당 가해지는 힘)와 비전기전도도는 2270 Sm²/kg(물질 밀도 당 물질 전기전도도)로 세계 최고 수준을 보였다. 특히 처리 방식에 소요되는 시간이 1분 미만으로 짧았다.

김승민 박사는 "기존 존재하는 소재의 물성을 능가할 수 있는 탄소나노튜브섬유를 매우 효율적으로 제조할 수 있는 방법을 제시한 것"이라면서 "탄소나노튜브 섬유가 상용화된다면 우주, 항공 분야는 물론 웨어러블 전자 소자, 센서, 복합 소재 등 여러 응용 분야에 핵심 소재로 활용될 수 있다"고 말했다.

이번 연구 결과는 '네이처 커뮤니케이션스'에 실렸다.


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