[논문]탄소복합섬유 개발동향

채한기; 이성호; 구본철; 박민; 김준경

제안 방법

있으며 공정조건에 따라 변화할 수 있다. Ogale 그룹은 meso- phase pitch에 multi wall nanotube (MWNT) 를 넣어 탄소섬유를 만들고 MWNT가 탄소섬유의 microstructure에 미치는 영향을 보고하였匸Mesophase pitchfe- Mitsubishi Gas Chemical Company 에서 제공하는 HP grade를 사용하였고 MWNT를 0.1 또는 0.3 wt%를 pitch와 함께 Brabender mixer를 이용하여 pitch의 softening point 이상의 온도에서 혼합하였다 305 ℃에서 용융방사 후안정화를 위하여 방사된 섬유를 290 ℃에서 7시간 동안 공기 분위기에 노출시켰다. 마지막 탄화 공정은 헬륨 분위기에서 2, 400 ℃ 그림 12.

대상 데이터

이러한 섬유는 각각 액정단계의 용액 또는 gel 방사 기술을 사용하여 제조될 수 있다. Gel 방사는 ultrahigh molecular weight polyethylene (UHMWPE) 섬유의 방사에 사용되었다. 유사하게 poly(vinyl alcohol) (PVA) 또한 gel 방사를 사용하여 방사가 가능한 것으로 알려져 있다.
현재 생산되는 탄소섬유의 90% 가 PAN계로 대부분의 연구가 PAN계로 이루어지기 때문으로 생각된다 Rao 그룹은 등방성 pitch (Ashland A5CX) 석유계 pitch) S}-single wall nanotube (SWNT, carbolex, Inc.) 를 혼합한 후 용융방사, 안정화 및 탄화 공정을 거쳐 탄!섬유를 제작하였다47 SWNT는 1-10% 무게비로 충진되었고 1, 100 t에서 탄화되었다. 등방성 pitch를 이용한 탄소섬유는 인장강도 및 탄성률이 mesophase pitch계 탄소섬유에 비하여 매우 낮은 것으로 알려져 있다* 이 보고에서 순수한 등방성 pitch 탄소섬유의 경우 인장강도가 ~480 MPa 정도였으나 SWNT가 1 wt% 함유된 탄소섬유는 -600 MPa, 5 wt% 함유된 경우에는 800 MPa로 향상되었다 탄성률도 순수한 등방성 pitch 탄소섬유의 경우 ~34 GPa로 낮은 값을 보였으나 SWNT가 5 wt% 함유된 탄소섬유는 ~78 GPa로 두 배 이상의 증가를 볼 수 있었다.
Wang 등이# 위의 실험결과를 분석한 결과 PAN 이 탄화 후에 60%의 중량 잔량(weight residue) 이 있고 CNT는 전혀 무게 감소가 발생하지 않는다는 가정하에 섬유 직경 1, 6, 12 gm 에서 67, 61, 28 GP찭의 탄소나노튜브에 의한 강도 증가 효과가 있는 것으로 보고하였다. 이 수치들은 개개의 탄소나노튜브 또는 탄소나노튜브 다발의 이론적, 3334 실험적35-38 인장강도 범위 안에 들어가는 수치이다. 그러나 PAN/탠소나노튜브계 탄소섬유의 구조를 고려해 볼 때탄소나노튜브만이 물성의 향상에 영향을 미치는 것이 아니라는 것을알 수 있으며 탄소나노튜브의 포함으로 인해 탄화과정에서 탄소나노튜브 주변의 PAN 고분자는 다른 탄화과정을 거치게 되어 보다 높은결정성을 가지는 흑연구조로 탄화된다는 것이다.

성능/효과

결정크기와 결정의 밀도가 더 높은 것을 알 수 있었다. 고해상도 투과현미경 (HR-TEM) 을 이용하여 PAN/탄소나노튜브(1 wt% 탄소나노튜브) 복합섬유를 관찰한 결과 고배향된 탄소나노튜브가" PAN 고분자에 의해 덮여있는 것을 볼 수 있었다(그림 3). 또한 매우 배항이 잘된 고결정성의 PAN 결정이 관찰되었으며 결정의 두께는 10 nm 이상으로 이는 PAN과 CNT 사이에 상호작용이 좋다는 것을 나타낸다.
방사된 섬유의 인장특성을 표 5에 나타내었다. 1 wt%의 탄소나노튜브의 첨가에 의하여 섬유의 탄성률이 6.6 GPa 정도 향상(22.1 GPa에서 28.7 GPa)되었으며 복합섬유의 이론적인 탄성률을 계산하기 위해 CN叮의 배향도를 고려해 볼 때 이론적으로 예측된 탄성률 값보다 실험적인 탄성률 값기 더 높음을 알 수 있었다 이것은 탄소나노튜브 혼합에 의한 보강효과 외에 탄소나노튜브 혼합에 의한 PAN 고분자의 물성변화가 있었다는 것을 보여주는 결과이다. 그림 3에서 보여진 바와 같이, 탄소나노튜브 부근의 PAN 결정영역이 높게 배향되었고 이로 인해 이론적인 예즉보다 높은 보강효과를 나타낸 것으로 추정된다.
또한 SWNT는 높은 전기 전도도를 가지고 있는 것으로 알려져 있고 이러한 물성은 여러 종류의 매트릭스와 복합화된 재료의 전기전도도를 높이는 결과를 보였다.48 Rao 그룹의 결과에서도 같은 결과가 관찰되어 SVNT가 함유되지 않은 탄소섬유는 체적저항이 ~8x 10-3 ohm-cm인 반면 SWNT가 5 wt% 함유된 탄소섬유는 ~2x 10-3 ohriLcm로 감소하는 것을 알 수 있었다.”
부여하는 공정으로 이용되었다. Gel 방사 동안 탄소나노튜브계면상에서 PANe 탄소나노튜브가 없는 환경에 비하여 높은 결정성과 배향도를 나타내었는데 이러한 구조의 PANe 약 1, 100 ℃의 저온에서 흑연화가 이루어지는 것으로 밝혀졌다 Gel 방사된 섬유의 인장강도와 인장탄성률은 용액방사 PAN 섬유의 인장강도와 인장탄성률값에 비하여 높은 값을 나타내며 이는 일반적인 용액방사를 통하여얻어진 섬유와 비교해서 gel 방사된 섬유가 고분자 배향도와 결정성이 훨씬 더 좋다는 사실에 기인한다. 또한, 섬유의 인장강도는 섬유의직경의 작아짐에 따라 증가하였다.
Gel 방사기술을 이용한 PAN/탄소나노튜브 복합섬유의 제조결과를살펴보면28 wide angle X-ray diffraction (WAXD) 을 사용한 구조분석에서 gel 방사된 섬유가 용액방사 섬유와 비교해서 높은 결정성, 더큰 결정크기와 결정의 밀도가 더 높은 것을 알 수 있었다. 고해상도 투과현미경 (HR-TEM) 을 이용하여 PAN/탄소나노튜브(1 wt% 탄소나노튜브) 복합섬유를 관찰한 결과 고배향된 탄소나노튜브가" PAN 고분자에 의해 덮여있는 것을 볼 수 있었다(그림 3).
현재 가장 작은 탄소섬유의 지름은약 5 nm이나 이보다 훨씬 작은 직경 (<1 #)의 탄소섬유가 해도사 (islands-in-a-sea) 형태의 이성분 방사를 접목시킨 gel 방사기술로부터 제조할 수 있었다. Gel 방사와 이성분 섬유방사 공정을 결합하고작은 직경의 고순도 탄소나노튜브를 이용함으로써 탄소섬유의 인장강도 및 탄성률을 50% 이상 향상시킬 수 있었다.
표로부터 모든 복합섬유의 물성은 탄소나노튜브를 포함하지 않은 PAN 섬유의 물성보다 우수한 것을 알 수 있다. SWMT를 함유한 섬유는 가장 높은 탄성률의 증가와 열수축의 감소를 보여준 반면 MWNT를 함유한 섬유는 인장강도 파단신율과 toughness가 가장 크게 증가하였다. 일반적인 복합재료(탄소섬유 및 유리섬유 보강 복합재료)는 탄성률과 강도의 증가를 보이는 한편 파단신율이나 toughmess는 감소하는 것으로 알려져 있다.
SWN叮를 함유하는 섬유는 열수축거동에서 가장 높은 향상을 보여주었으며 MWNT, VGCNF, DWNT를 함유하는 복합섬유의 순으로열수축거동의 향상을 나타냈다(그림 1). 연신된 PAN 섬유는 유리 전이온도 이상에서 무정형 영역의 이완으로 인해 수축거동을 보이게 된다.
) 를 혼합한 후 용융방사, 안정화 및 탄화 공정을 거쳐 탄!섬유를 제작하였다47 SWNT는 1-10% 무게비로 충진되었고 1, 100 t에서 탄화되었다. 등방성 pitch를 이용한 탄소섬유는 인장강도 및 탄성률이 mesophase pitch계 탄소섬유에 비하여 매우 낮은 것으로 알려져 있다* 이 보고에서 순수한 등방성 pitch 탄소섬유의 경우 인장강도가 ~480 MPa 정도였으나 SWNT가 1 wt% 함유된 탄소섬유는 -600 MPa, 5 wt% 함유된 경우에는 800 MPa로 향상되었다 탄성률도 순수한 등방성 pitch 탄소섬유의 경우 ~34 GPa로 낮은 값을 보였으나 SWNT가 5 wt% 함유된 탄소섬유는 ~78 GPa로 두 배 이상의 증가를 볼 수 있었다. 이를 통하여 SWNT가 등방성 pitch 탄소섬유의 기계적 물성 향상에 큰 도움을 줄 수 있다는 것을 알 수 있었다.
이 연구를 통하여 PAN/탄소나노튜브의 흑연구조의 발달은 비교적 저온(1, 100 ℃) 에서 이루어지고 이것은 탄소나노튜브가 PAN 안정화에 영향을 줄뿐 아니라 비교적 낮은 탄화온도에서도 더 많은 흑연구조의 생성을유도하는 것을 알 수 있다. 따라서, PAN/탄소나노튜브 복합섬유는현재의 PAN계 탄소섬유보다 훨씬 더 높은 단성률과 인장강도를 갖는차세대 탄소섬유용 전구체를 대표한다고 할 수 있을 것이다.
이를 통하여 SWNT가 등방성 pitch 탄소섬유의 기계적 물성 향상에 큰 도움을 줄 수 있다는 것을 알 수 있었다. 또한 SWNT는 높은 전기 전도도를 가지고 있는 것으로 알려져 있고 이러한 물성은 여러 종류의 매트릭스와 복합화된 재료의 전기전도도를 높이는 결과를 보였다.48 Rao 그룹의 결과에서도 같은 결과가 관찰되어 SVNT가 함유되지 않은 탄소섬유는 체적저항이 ~8x 10-3 ohm-cm인 반면 SWNT가 5 wt% 함유된 탄소섬유는 ~2x 10-3 ohriLcm로 감소하는 것을 알 수 있었다.
고해상도 투과현미경 (HR-TEM) 을 이용하여 PAN/탄소나노튜브(1 wt% 탄소나노튜브) 복합섬유를 관찰한 결과 고배향된 탄소나노튜브가" PAN 고분자에 의해 덮여있는 것을 볼 수 있었다(그림 3). 또한 매우 배항이 잘된 고결정성의 PAN 결정이 관찰되었으며 결정의 두께는 10 nm 이상으로 이는 PAN과 CNT 사이에 상호작용이 좋다는 것을 나타낸다.
하지만, 탄소섬유의 물성은 전구체 섬유의 물성에 크게 영향을 받는데 이는 전구체 섬유의 높은 고분자 배향도가 탄화 후 흑연구조의 높은 배향도를 유지할 수 있는 중요한 인자이기 때문이다. 또한, 섬유의 인장강도는 섬유내의 구조적인 결함(미세기공, 외부입자 고분자 말단, 꼬임 등) 이 가장 큰 영향을 미치는데 이러한 결함들은 전구체 섬유의 제조시 생성되는 것이므로 전구체 섬유의 물성이 탄소섬유의 물성을 결정하는데 매우 중요한 역할을 한다는 것을 알 수 있다. 따라서, gel 방사기술은 최적의 전구체를 얻기 위한 가장 중요한 공정기술이라고 할 수 있다.
이러한 G band의 강도는 응력이 증가함에따라 증가한다는 사실을 통하여 응력에 의한 흑연화가 진행되었음을확인할 수 있다. 라만 분석 결과는 HR-TEM 결과와 일치하며 탄화된 PAN 섬유의 경우에 비하여 탄화된 PAN/탄소나노튜브 복합섬유의 경우 흑연구조가 더욱 잘 발달되었음을 보여주었다. PAN계 섬유는 보통 1, 300-1, 700 ℃에서 탄화하고 일반적으로 이 온도범위에서는 흑연구조가 생성되지 않으며 흑연구조를 발달시키기 위해서는 보통 2, 500~3, 000 ℃에서 흑연호} 공정을 거치게 된다.
현재 제조되고 있는 탄소섬유의 인장강도는 탄소간의 결합의 이론적인 값을 고려해 볼 경우 이론값의 10% 내의 아주 미미한 값에 불과한데 그러므로 탄소섬유의 물성 향상을 위한 보다 넒은 범위의 연구가 이루어져야 할 것으로 생각된다. 본문에서 언급된 바와 같이 gel 방사된 PAN/탄소나노튜브 섬유는 차세대 탄소섬유 전구체로의 가능성을 보여주었다.
현재 상업적인 탄소섬유는 용액방사를 통하여 얻어진 전구체로부터 제조되고 있다. 용액방사 공정을 이용하여 제조된 PAN과 gel 방사된 PAN의 구조 및 성질을 비교한 결과를 표 4에 나타내었는데 gel 방사된 PAN이 용액방사 PAN보다 탄성률, 인장강도 그리고 분자 배향성이 높음을 보여준다.
PAN계 섬유는 보통 1, 300-1, 700 ℃에서 탄화하고 일반적으로 이 온도범위에서는 흑연구조가 생성되지 않으며 흑연구조를 발달시키기 위해서는 보통 2, 500~3, 000 ℃에서 흑연호} 공정을 거치게 된다. 이 연구를 통하여 PAN/탄소나노튜브의 흑연구조의 발달은 비교적 저온(1, 100 ℃) 에서 이루어지고 이것은 탄소나노튜브가 PAN 안정화에 영향을 줄뿐 아니라 비교적 낮은 탄화온도에서도 더 많은 흑연구조의 생성을유도하는 것을 알 수 있다. 따라서, PAN/탄소나노튜브 복합섬유는현재의 PAN계 탄소섬유보다 훨씬 더 높은 단성률과 인장강도를 갖는차세대 탄소섬유용 전구체를 대표한다고 할 수 있을 것이다.
이러한 상호작용은 탄소나노튜브의 종류에 따라 변화할 수 있으며 물성향상의 측면에서 이를 고려해 보면 낮은 신율에서의 물성 (탄성률과 열수축) 은 PAN/SWNT에서 가장 향상된 반면에 높은 신율에서의 물성(인장강도 파단신율, tou어mess) 에서는 PAN7MWNT에서 가장 향상되었다. 일반적으로 탄소나노튜브의 합성과정에서 MWNT는 SWNT보다 더 긴 길이로 합성이 가능하며 복합섬유에서의 높은 신율은 결과적으로 SWNT보다 긴 MWNT가 효과적인 것을 알 수 있었고 낮은 신율에서의 물성힝상은 PAN/탄소나노튜브 계면의 면적에 의존하는 고분자와 탄소나노튜브의 상호작용에 의해 주로 결정된다는 것을 알 수 있었다.
등방성 pitch를 이용한 탄소섬유는 인장강도 및 탄성률이 mesophase pitch계 탄소섬유에 비하여 매우 낮은 것으로 알려져 있다* 이 보고에서 순수한 등방성 pitch 탄소섬유의 경우 인장강도가 ~480 MPa 정도였으나 SWNT가 1 wt% 함유된 탄소섬유는 -600 MPa, 5 wt% 함유된 경우에는 800 MPa로 향상되었다 탄성률도 순수한 등방성 pitch 탄소섬유의 경우 ~34 GPa로 낮은 값을 보였으나 SWNT가 5 wt% 함유된 탄소섬유는 ~78 GPa로 두 배 이상의 증가를 볼 수 있었다. 이를 통하여 SWNT가 등방성 pitch 탄소섬유의 기계적 물성 향상에 큰 도움을 줄 수 있다는 것을 알 수 있었다. 또한 SWNT는 높은 전기 전도도를 가지고 있는 것으로 알려져 있고 이러한 물성은 여러 종류의 매트릭스와 복합화된 재료의 전기전도도를 높이는 결과를 보였다.
이러한 상호작용은 탄소나노튜브의 종류에 따라 변화할 수 있으며 물성향상의 측면에서 이를 고려해 보면 낮은 신율에서의 물성 (탄성률과 열수축) 은 PAN/SWNT에서 가장 향상된 반면에 높은 신율에서의 물성(인장강도 파단신율, tou어mess) 에서는 PAN7MWNT에서 가장 향상되었다. 일반적으로 탄소나노튜브의 합성과정에서 MWNT는 SWNT보다 더 긴 길이로 합성이 가능하며 복합섬유에서의 높은 신율은 결과적으로 SWNT보다 긴 MWNT가 효과적인 것을 알 수 있었고 낮은 신율에서의 물성힝상은 PAN/탄소나노튜브 계면의 면적에 의존하는 고분자와 탄소나노튜브의 상호작용에 의해 주로 결정된다는 것을 알 수 있었다. 계면의 면적에 따른 수축거동을 그림 1에서확인할 수 있는데 계면적이 넓어질수록(작은 직경의 탄소나노튜브 보다효과적인 상호작용이 이루어지는 것을 확연히 보여준다.
또한 상이한 단면적의 PAN, PAN/탄소나노튜브계 탄소섬유의 물리적 강도를 그림 9(a)에나타냈는데 이 그림으로부터 두 가지 측면을 유추할 수 있다. 첫째, 단면적을 고려하면 전구체 섬유에 1 wt%의 탄소나노튜브를 함유한 PAN/탄소나노튜브계 탄소섬유의 물리적 강도는 PAN계 탄소섬유에 비해 30-60% 더 높다는 것과 둘째, 단면적이 감소함에 따라 인장강도가 향상된다는 것이다. 그림 9(a)의 데이터 또한 탄소나노튜브의 강도 강화효율 또한 단면적 작은 경우보다 좋은 것으로 나타났다 (강도 증가는 1.
탄소나노튜브가 pitch에 복합화됨으로써 pitch계 탄소섬유의 기계적강도 및 구조에 영향을 준다는 사실을 알 수 있었4: 즉 등방성 pitch 의 경우는 인장강도 및 탄성률의 증가를 SWNT의 함유로 확인하였고, mesophase pitch 탄소섬유의 경우는 일반적으로 상용화된 탄소섬유에서 관찰되는 radial 구조가 극소량의 MWNT의 함유로 인하여 random 구조로 변화하는 것을 알 수 있었다.
24 이 연구에서복합섬유는 일반적인 기격 용액방사법 (dry-jet wet-spinning)을 사용하여 제조되었으며, PAN 섬유와 PAN/탄소나노튜브 복합섬유의기계적 특성과 구조분석 결과는 표 3에 나타나 있다. 표로부터 모든 복합섬유의 물성은 탄소나노튜브를 포함하지 않은 PAN 섬유의 물성보다 우수한 것을 알 수 있다. SWMT를 함유한 섬유는 가장 높은 탄성률의 증가와 열수축의 감소를 보여준 반면 MWNT를 함유한 섬유는 인장강도 파단신율과 toughness가 가장 크게 증가하였다.
일반적인 복합재료(탄소섬유 및 유리섬유 보강 복합재료)는 탄성률과 강도의 증가를 보이는 한편 파단신율이나 toughmess는 감소하는 것으로 알려져 있다. 하지만, 이 연구를 통하여 탄소나노튜브를 포힘하고 있는 복합섬유는 모든 기계적 물성이 향상되는 것을 확인할 수 있었다

후속연구

제조된다. 현재 제조되고 있는 탄소섬유의 인장강도는 탄소간의 결합의 이론적인 값을 고려해 볼 경우 이론값의 10% 내의 아주 미미한 값에 불과한데 그러므로 탄소섬유의 물성 향상을 위한 보다 넒은 범위의 연구가 이루어져야 할 것으로 생각된다. 본문에서 언급된 바와 같이 gel 방사된 PAN/탄소나노튜브 섬유는 차세대 탄소섬유 전구체로의 가능성을 보여주었다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

탄소복합섬유 개발동향
A Review of Carbon Nanotube-Reinforced Carbon Fibers 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

탄소복합섬유 개발동향 A Review of Carbon Nanotube-Reinforced Carbon Fibers 원문보기

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

이성호 (10) 구본철 (16) 박민 (29) 김준경 (30)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

탄소복합섬유 개발동향
A Review of Carbon Nanotube-Reinforced Carbon Fibers 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper