고품질 탄소섬유 개발 원리 규명됐다

PAN 전구체의 선호 원자구조 발견…그래핀 활용 가능성도 제시

내구성이 높고 가벼운 탄소섬유의 품질을 높이는 이론적 방법이 확인됐다.

한국과학기술원(KAIST) EEWS대학원 김용훈 교수 연구팀이 고분자 전구체와 저차원 탄소 나노소재 간 계면의 원자구조와 전자구조적 특성을 규명했다고 26일 밝혔다.

연구팀은 이번 결과로 차세대 탄소섬유 개발의 이론적 청사진을 제시할 것이라고 기대했다. 탄소섬유는 매우 가벼우면서도 뛰어난 기계적, 열적 특성을 갖고 있어 초경량 자전거, 골프 클럽 등 스포츠 용품부터 자동차, 항공우주, 원자력 등 다양한 첨단 기술 분야에 활발히 활용되고 있는 신소재다.

탄소섬유는 고분자 전구체 섬유에 방사, 안정화, 탄화 등의 작업을 거쳐 얻어진다. 현재 폴리아크릴로나이트릴(PAN)이 탄소섬유의 주 전구체로 사용되고 있다.

고품질 차세대 탄소섬유를 얻는 방법으로는 탄소나노튜브(CNT)를 탄소섬유 전구체 고분자 매트릭스에 분산시켜 고분자의 결정성을 높이는 연구가 대표적이다. CNT와 전구체 고분자의 조합이 탄소섬유의 물성을 향상시킬 수 있다는 것도 실험을 통해 확인된 바 있다.

한국과학기술원(KAIST) EEWS대학원 김용훈 교수 연구팀이 고분자 전구체와 저차원 탄소 나노소재 간 계면의 원자구조와 전자구조적 특성을 규명했다고 26일 밝혔다.

그러나 20년 이상의 연구에도 CNT와 전구체 고분자 간 상호작용에 대한 이해는 실험적 접근법의 어려움으로 인해 부족했다. 때문에 탄소나노튜브를 활용한 고품질 탄소섬유 제작 기술에 한계가 있었다는 게 연구팀의 설명이다.

김 교수 연구팀은 슈퍼컴퓨터를 활용해 대표적인 탄소섬유 전구체인 PAN 고분자가 CNT 계면에서 배열되는 과정을 원자 수준에서 체계적으로 재현했다. 또 CNT-PAN 고분자 계면이 특히 좋은 특성을 보일 수 있는 이유를 밝혀냈다.

PAN 고분자의 단위체가 누워있는 형태의 특정 원자구조를 선호하고, 이 때 양전하와 음전하가 균형 있게 이동하는 계면 특유의 특성이 발현되므로 이 계면 구조를 최대화 시키는 것이 최적의 PAN 고분자 정렬을 유도할 수 있다는 것.

또 PAN 고분자의 정렬도가 그래핀 나노리본과의 계면에서 극대화되는 것을 확인, 최근 각광을 받고 있는 그래핀을 이용해 탄소 섬유의 품질을 더욱 향상시킬 수 있다는 가능성도 제시했다.

김 교수는 "양자역학에 기반한 전산모사가 첨단 소재소자의 개발을 위한 기본 원리를 제공해 줄 수 있음을 보여준 연구의 예”라며 “이러한 전산모사 연구의 중요성은 컴퓨터 성능과 전산모사 이론체계의 비약적인 발전과 더불어 더욱 커질 것”이라고 말했다.