플라스틱만큼 가볍고 금속보다 꼬임에 강한 탄소섬유 개발-배향도 높은 복합구조 그래핀 탄성섬유

플라스틱만큼 가볍고 금속보다 꼬임에 강한 탄소섬유 개발-배향도 높은 복합구조 그래핀 탄성섬유

 

등록일 2021.01.25.

 

플라스틱만큼 가볍고 금속보다 꼬임에 강한 탄소섬유 개발
배향도가 높은 복합구조를 가진 그래핀 탄성 섬유


□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 한태희 교수(한양대학교) 연구팀과 이원준 교수(단국대학교) 연구팀이 비틀림 특성이 우수한 그래핀 탄성 섬유를 개발했다고 밝혔다.

□ 금속보다 인장강도가 강한 슈퍼섬유들은 첨단산업 소재로 주목받고있다. 관련해서 기존에 없던 물성을 얻기 위한 나노 소재의 섬유화 연구가 많이 진행되어 왔다.
○ 측정과 해석의 용이성 때문에 대부분 인장특성을 강화하는데 초점을 둔 연구가 많이 이뤄졌다.

□ 연구팀은 비틀림 특성이 우수한 그래핀 탄성 섬유를 개발했다.
○ 그래핀 입자들이 강한 인력으로 결합되어 있으면서 동시에 높은 배향도를 가지도록 막대형태의 탄소나노튜브로 시트형태의 그래핀을 튼튼하게 연결하고 섬유를 연신하여 높은 배향도를 가진 섬유를 제조하였다.

□ 이렇게 얻은 섬유는 금속보다 8배, 고분자보다는 300배 강한 강도를 나타냈다. 무게별 강도 비율(단위: MPa1/2 cm3 g-1)이 19로 슈퍼섬유인 탄소섬유보다 더 가볍고 강한 것으로 나타났다.
○ 한편 탄소 섬유는 비틀림보다 당기는 힘에 매우 잘 견디는 반면, 그래핀 섬유는 비틀림을 더 잘 견디는 매우 이례적인 성질을 보였다.

□ 한편 최근 고강도 나노 물질 섬유의 비틀림 특성이 센서 및 액추에이터에서 특별한 가능성을 갖고 있다는 것이 알려지면서 비틀림 강도와 탄성에 대한 중요성이 높아졌다.
○ 예를 들어 꼬임(비틀림)을 가진 CNT 섬유는 빛 또는 열에 반응하는 우수한 액추에이터 특성을 보이면서 사람의 근섬유보다 더 강력한 인공근육 제조에 대한 가능성을 제시했다.

□ 그러나 비틀림 특성의 높은 잠재력과 응용가치에도 불구하고, 나노 조립 섬유의 비틀림은 인장에 비해 실험난이도가 높고 해석이 복잡하여 나노 물질 기반재료에서는 거의 연구되지 않고 있다.
○ 따라서 비틀림 강도와 탄성이 높은 나노 섬유에 대한 연구는 여전히 미해결 과제로 남아 있었다.

□ 연구팀은 이번에 폭넓게 제시한 나노조립 섬유의 비틀림 강도 측정 방법과 탄성 측정방법이 나노물질 조립체의 강도 특성 연구에 폭넓게 응용될 것으로 기대하고 있다.
○ 우수한 비틀림 특성이 요구되는 인공근육이나 센서 등은 물론 높은 전단강도를 필요로 하는 자동차, 항공, 기계, 건축 재료 등의 강도향상을 위한 연구에도 기여할 것으로 기대된다.

□ 교육부와 한국연구재단이 추진하는 중점연구소지원사업과 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구, 생애첫연구사업 등의 지원으로 이뤄진 이번 연구의 성과는 1월 15일 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재되었다.

주요내용 설명

 

논문명
Carbon nanotube-reduced graphene oxide fiber with high torsional strength from rheological hierarchy control
저널명
Nature Communications
키워드
Torsional Strength, Nano Carbon, Nano-Assembly, Flow Dynamics Control
저 자
한태희 교수(교신저자/한양대학교), 한태희 교수(교신저자/단국대학교), 엄원식 박사(제1저자/한양대학교), 이은송 (공동저자/한양대학교), 이상훈 (공동저자/한양대학교), 성태현 (공동저자/한양대학교), 아담 클랜시( Adam J. Clancy) (공동저자/University College London)

<작성 : 한양대 한태희>
1. 연구의 필요성
○ 탄소섬유, 아라미드 섬유, HDPE 섬유 등의 초고강도 슈퍼섬유들은 첨단 산업을 위한 핵심 소재로 활약하고 있다. 나노 물질을 섬유형태로 조립하면 기존보다 강한 강도를 가지면서 새로운 특성이 부여된 고강도 섬유가 만들어 질 수 있기 때문에 나노 소재의 섬유화 연구가 많이 진행되어 왔다. 한편, 섬유의 강도에는 인장 강도와 비틀림 강도가 있는데, 각각 당기는 방향에 대한 힘과 비틀림 방향에 대한 강도를 의미한다. 측정과 해석의 용이성 덕분에, 나노 물질을 이용한 고강도 섬유들은 대부분 강화된 인장 특성에 대한 보고에 집중되어 왔다.
○ 최근 고강도 나노 조립 섬유의 비틀림 특성이 센서 및 액추에이터에서 특별한 가능성을 갖고 있다는 것이 알려지면서 비틀림 강도와 탄성에 대한 중요성이 높아졌다. 예를 들면 꼬임(비틀림)을 가진 CNT 섬유는 빛 또는 열에 반응하는 우수한 액추에이터 특성을 보이면서 사람의 근섬유보다 더 강력한 인공 근육 제조에 대한 가능성을 제시했다. 기계적 특성 중 하나인 비틀림 특성은 섬유의 회전력에 대한 특성을 말하는 것으로, 비틀림 강도와 탄성이 높은 것이 이상적이다. 그러나 비틀림 특성의 높은 잠재력과 응용가치에도 불구하고, 나노 조립 섬유의 비틀림은 인장에 비해 실험난이도가 높고 해석이 복잡하여 나노 물질 기반재료에서는 거의 연구되지 않고 있다. 따라서 비틀림 강도와 탄성이 높은 나노 섬유에 대한 연구는 여전히 미해결 과제로 남아있었다.
2. 연구내용
○ 한양대 한태희 교수팀과 단국대 이원준 교수팀은 비틀림 특성이 우수한 그래핀 탄소 섬유개발에 성공했다고 밝혔다. 비틀림 특성이 우수한 그래핀 섬유를 제조하기 위해서는 강한 인력으로 결합된 그래핀 시트들이 섬유 축방향에 대해 나란히 배열되어야 했다. 이를 구현하기 위해 막대형태의 탄소나노튜브를 그래핀시트 사이에 층간삽입하여 연결하였고 섬유 연신을 통해 배향도를 가진 섬유를 제조하였다. 얻어진 섬유는 914 MPa의 우수한 비틀림 강도를 나타냈는데, 이러한 강도는 금속보다 8배, 고분자보다는 300배 강한 수준이다. 가볍고 강한 소재를 정의하기 위해 무게별 강도 비율 지표 (단위: MPa1/2 cm3 g-1)라는 것을 사용하는데, 우리 섬유의 지표 값은 19 로, 슈퍼섬유인 탄소 섬유와 비슷한 수준을 달성하였다. 한편 탄소 섬유와 기존의 금속과 고분자물질은 비틀림보다 당기는 힘에 매우 잘 견디는 특성을 가진 반면, 그래핀 섬유는 비틀림을 더 잘 견디는 매우 이례적인 특성을 보였다. 이는 나노 구조의 조립제어를 통해 기존에 없던 기계적 특성을 부여할 수 있음을 시사한다. 이번 연구를 주도한 엄원식 박사는 그래핀 섬유의 우수한 비틀림 특성 결과는 그래핀을 이용하여 탄소 섬유보다 우수한 슈퍼 섬유를 만들 수 있는 가능성을 제시한다고 말하였다.

3. 연구성과/기대효과
○ 그동안 나노 조립 섬유의 인장강도 향상에 주로 많은 연구가 치중 되었으나, 이번 연구에서는 드물게 비틀림 특성 향상에 대한 연구가 이루어졌을 뿐만 아니라 우수한 성능의 그래핀 섬유까지 개발하여 국제저널에 게재되었음. 특히, 실시간 저항변화 측정과 전자기 유도 현상을 이용하여 섬유의 우수한 비틀림 특성을 나타낸 점이 독창적인 부분이다.
○ 이번 논문에는 나노조립 섬유의 비틀림 강도 측정 방법과 탄성 측정에 대해 폭넓게 제시하였기 때문에 추후에 이어질 나노 물질 조립체의 강도 특성 연구에 폭넓게 적용될 것으로 기대한다. 비틀림 특성이 우수한 그래핀 섬유는 인공 근육과 센서에도 이용 가능할 것으로 보인다.
○ 현재 고전단강도 물질은 산업적으로 자동차, 항공, 기계, 건축 재료 등의 강도 향상에 많이 쓰이고 있기 때문에 대량생산의 가능성이 이 기술의 중요한 점이 될 것이라고 예상한다. 본 연구의 비틀림 강도와 탄성이 우수한 그래핀 섬유는 장시간 안정적으로 방사가능한 공정을 확보하고 있어 연속생산이 가능하여 대량생산을 위한 가능성이 높다고 생각된다.

그림 설명

 

(그림1) 그래핀 탄성 섬유와 기존 물질들의 밀도, 전단 강도 비교
기존의 그래핀 섬유보다 그래핀 탄성 섬유는 매우 향상된 전단 강도 (53 → 914 MPa) 를 가진다. 그래핀 탄성 섬유는 고분자만큼 가벼우면서, 금속보다 강한 전단 강도를 가진다. 무게별 강도 비율 지표(대각 방향 점선,MPa1/2 cm3 g-1)는 대표적 슈퍼섬유인 탄소 섬유와 비슷한 수준을 달성하여, 가볍고 강한 소재임을 증명하고 있다.
출처 : 한양대학교 한태희 교수

 

(그림2) 그래핀 탄성 섬유와 기존 물질들의 인장, 전단 강도 비교
재료역학에 따라, 그림과 같이 대다수의 금속과 고분자 물질의 전단강도는 인장강도의 0.67배인 경향을 가진다. 탄소 섬유와 탄소 섬유 복합체가 인장강도가 전단강도보다 매우 강한 것에 비해, 그래핀 탄성 섬유는 이례적으로 인장강도보다 전단 강도가 강한 특성을 보인다.
출처 : 한양대학교 한태희 교수