KAIST, 고분자 탄소섬유와 저차원 탄소 나노소재 사이 계면 원자배열 밝혀

김용훈 KAIST EEWS대학원 교수 연구팀이 차세대 탄소섬유 개발을 위한 이론을 규명했다.<사진=KAIST>
김용훈 KAIST EEWS대학원 교수 연구팀이 차세대 탄소섬유 개발을 위한 이론을 규명했다.<사진=KAIST>
꿈의 신소재로 알려진 차세대 탄소섬유 개발을 위한 이론이 규명됐다.

KAIST(총장 신성철)는 김용훈 EEWS대학원 교수 연구팀이 고품질 탄소섬유 개발에 필요한 고분자 전구체와 저차원 탄소 나소소재간 계면의 원자구조와 전자구조적 특성을 확인했다고 26일 밝혔다.

탄소섬유는 매우 가벼우면서도 뛰어난 기계적 열적 특성을 갖고 있어 초경량 자전거, 골프클럽 등 스포츠용품부터 자동차, 항공우주, 원자력 등 다양한 첨단 기술 분야에 활발히 활용되고 있다.

현재 탄소섬유는 고분자 전구체 섬유를 일련의 방사 과정을 거쳐 얻고 이후 이를 안정화와 탄화, 2500도 이상에서 연신 흑연화를 시켜 만들게 된다. 고분자 전구체로는 폴리아크릴로니트릴이 90%이상 비율로 가장 많이 사용된다.

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

그러나 20년 이상 연구에도 탄소나노튜브와 전구체 고분자 간 상호작용에 대한 이해는 실험적 접근법의 어려움으로 컸던게 사실이다. 또 탄소나노튜브를 활용한 고품질 탄소섬유 제작 기술은 한계가 있었다.

김 교수 연구팀은 슈퍼컴퓨터를 활용해 양자역학적 제1원리 기반 멀티스케일 시뮬레이션을 수행해 탄소섬유 전구체인 폴리아크릴로나이트릴고분자가 탄소나노튜브 계면에서 배열되는 과정을 원자 수준에서 체계적으로 재현했다. 또 탄소나노튜브-폴리아크릴로나이트릴 고분자 계면이 특히 좋은 특성을 보일 수 있는 이유를 연구했다.

그 결과 폴리아크릴로나이트릴 고분자의 단위체가 누워있는 형태의 특정 원자구조를 선호하고 이때 양전하와 음전하가 균형있게 이동하는 계면 특유의 특성이 발현된다는 것을 확인했다. 때문에 이 계면 구조를 최대화 시키는 것이 최적의 대규모 폴리아크릴로나이트릴 고분자 정렬을 유도할 수 있음을 밝혔다.

또 폴리아크릴로나이트릴 고분자의 정렬도가 그래핀 나노리본과의 계면에서 극대화되는 것을 확인, 그래핀을 이용해 탄소 섬유의 품질을 향상시킬 수 있다는 가능성도 제시했다.

김 교수는 "양자역학에 기반한 전산모사가 첨단 소재, 소자의 개발을 위한 기본원리를 제공해 줄 수 있음을 보여준 예"라면서 "이러한 전산모사 연구의 중요성은 컴퓨터 성능과 전산모사 이론체계의 발전과 함께 커질 것"이라고 말했다.

한편 이번연구는 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업, 나노소재원천기술개발사업, 기초연구실지원사업, 글로벌프론티어사업의 지원을 받아 수행됐다.

이주호 박사과정이 제1저자로 참여한 이번 연구성과는 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈' 11일자 속표지 논문으로 게재됐다.

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