[논문]나노탄소 고분자 복합재료

최철림

doi:10.7234/composres.2013.26.3.147

나노탄소 고분자 복합재료
Nanocarbon Polymer Composites 원문보기

Composites research = 복합재료, v.26 no.3, 2013년, pp.147 - 154

최철림 (한국과학기술연구원, 한국과학기술 정보연구원 ReSEAT 프로그램)

초록
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탄소나노튜브(CNT)와 그래핀 같은 나노카본은 기계적 성질이 탁월하고 직경 대 길이의 비가 커서 고분자 복합재료의 강화재로 이상적인 것으로 생각된다. 그동안 나노탄소의 특성을 복합재료에 그대로 전환시키기 위한 많은 연구들이 있었지만 여전히 해결되지 않은 많은 문제, 예를 들면 효율적인 공정의 개발 등이 숙제로 남아있다. 이 총설에서는 CNT와 그래핀을 이용하는 나노탄소 고분자 복합재료 분야에서 이룬 그 간의 발전을 살펴보았으며, 여러 가지 나노탄소 고분자 복합재료에서 기계적인 강화가 어느 정도 이루어지는지 비교, 분석하고 향후 연구개발 방향을 전망하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Nanocarbons such as carbon nanotubes (CNT) and graphene are considered to be ideal fillers for polymer composites, because of their outstanding mechanical properties and high length-to-diameter ratio. There has been much effort to realize the implementation of their full potential, but a large number of unsolved problems still must be challenged, for example, effective processing for fabrication. This review deals with the progress that has already been made in the area of nanocarbon polymer composites using CNT and graphene. Mechanical reinforcement of various nanocarbon polymer composites is analyzed and compared, and future perspectives in research and development that need to be done are discussed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

나노탄소 복합재료가 가지고 있는 분산성과 가공성의 문제를 해결하기 위한 방안 중의 하나가 나노크기를 마이크론 크기로 전환하는 것이다. 나노크기의 나노탄소를 마이크론 크기의 섬유로 만들면 나노크기에서 발생하는 많은 문제들이 스스로 해결된다.
이러한 관점에서 가까운 장래에 나노탄소 충전 FRP 복합재료의 현실적인 응용이 기대된다. 다만 형태1에서는 나노탄소 충전 복합재료에서 논의되었던 분산과 점도, 특히 점도의 문제가 충분히 고려되어야 하고, 형태2에서는 환경에 미치는, 휘발성 유기용매의 부정적인 영향을 최소화하여야 하며, 형태3에서는 탄소섬유 표면에 CNT를 성장시킬 때 탄소섬유의 물성이 저하되는 현상을 방지할 수 있는 기술의 진보가 있어야 한다는 것을 지적하고자 한다.
무엇보다도 이 형태의 복합재료에서는 나노탄소의 역할이 복합재료의 전반적인 특성향상을 위한 것이 아니고 부분적인 결점을 보완하거나 추가적으로 새로운 기능을 부여하기 위한 것이기 때문에 매우 낮은 함량에서도 이러한 효과를 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다. 더욱이 이러한 형태의 복합재료는 기존의 탄소섬유 고분자 복합재료와 같은 고성능 복합재료와 직접 경쟁하기 위한 것이 아니고 특성향상을 통하여 응용의 폭을 보다 넓히기 위한 것이다. 이러한 관점에서 가까운 장래에 나노탄소 충전 FRP 복합재료의 현실적인 응용이 기대된다.
이것이 나노탄소 복합재료를 포함하여 나노 복합재료의 강화재 함량을 높이기가 힘든 이유이다. 본 총설에서는 나노탄소들의 탁월한 구조와 기능에도 불구하고 이러한 문제들을 여전히 안고 있는 나노탄소 복합재료 분야에서 지난 20여년동안 이루어졌던 진보를 되돌아보고, 나노탄소들, 특히 CNT와 그래핀의 강화 효과를 비교, 분석하여 향후 연구개발 방향을 전망해 보았다.
CNT와 그래핀 그 자체를 응용하는 연구, 고분자 복합재료의 강화재로 이용하는 연구[3-7], 무기물과의 혼성에 의한 특성의 상승 효과를 구현하는 하이브리드에 대한 연구[3,7,8]가 그것이다. 여기서는 나노탄소 고분자 복합재료에 초점을 맞추어 최근의 연구동향을 살펴보았다.
새롭고 유망한 접근법이 나노탄소 충전 FRP 복합재료 이다. 이것은 나노탄소를 기존의 섬유강화 고분자 복합 재료인 FRP에 도입하여 이들을 마이크론 크기의 섬유들 사이 혹은 섬유표면에 분산 배치함으로써 소기의 성과를 거두고자 하는 것이다. 이렇게 함으로써 층간 전단강도를 개선할 수 있어 적층 고분자 복합재료에서 흔히 발생하는 층간 분리현상을 상당량 줄일 수 있고, 기존의 FRP에 전기전도성이나 열전도성과 같은 기능을 부여할 수 있어 용도의 확대를 꾀할 수 있다.

제안 방법

첫째는 복합재료의 전통적인 형태인, 나노탄소 그 자체가 충전재로 고분자 연속상에 분산되어 있는 것이고, 둘째는 나노탄소가 기존의 섬유강화 복합재료(FRP)의 강화 섬유 사이 혹은 강화섬유 표면에 분산 배치되어 있으며, 셋째는 나노탄소를 거시적인 섬유형태로 전환하여 전통적인 방법으로 고분자와 복합화한 것이다. 편의상 여기서는 이들을 각각 나노탄소 충전 복합재료, 나노탄소 충전 FRP 복합재료, 나노탄소섬유 복합재료로 구별하여 다루었다.

성능/효과

강화재가 나노크기로 작아지면 표면적이 기하급수적으로 커진다. 그 결과로 함량이 증가하면 강화재의 표면이 모두 매트릭스에 젖기가 어려워지고, 다시 말하면 분산이 쉽지 않고, 이에 더하여 시스템의 점도상승으로 가공이 거의 불가능해진다. 이것이 나노탄소 복합재료를 포함하여 나노 복합재료의 강화재 함량을 높이기가 힘든 이유이다.
전자의 경우 인장강도는 5 wt%에서 최대를 이루고 있으나 모듀라스는 계속해서 증가하고 있다. 후자에서는 CNT 함량에 따른 전기전도도의 추이를 나타내고 있는데 전기전도도는 10 wt% 내외에서 급격히 증가하고 12~13 wt%까지 완만한 증가세를 유지하다가 감소하였다.

후속연구

현재는 나노탄소 섬유 자체의 제조기술이 실험실 단계에 머물러 있고, 제조기술의 완성도가 낮아 이를 이용하는 복합재료 연구개발이 추진력을 얻고 있지 못하다. 그러나 수년이내에 상업적인 규모의 생산이 가능할 것으로 알려지고 있어, 머지 않아 나노탄소섬유 복합재료의 기술발전이 관련 학계 및 산업계의 지대한 관심사가 될 것이다.
그 이유는 대부분의 연구가 나노탄소 섬유의 구조와 특성을 최적화하는데 초점이 맞추어져 있기 때문이다. 그러는 사이 최근에는 CNT 섬유제조 방법 중 (3) 고분자/CNT 혼합물의 응고방사와 (4) 기체상 직접 방사법은 그 기술이 상업화에 근접하고 있는 것으로 알려져 있어, 향후 CNT 섬유 고분자 복합재료의 연구를 견인하는 동력을 제공할 것으로 기대된다.
더욱이 이러한 형태의 복합재료는 기존의 탄소섬유 고분자 복합재료와 같은 고성능 복합재료와 직접 경쟁하기 위한 것이 아니고 특성향상을 통하여 응용의 폭을 보다 넓히기 위한 것이다. 이러한 관점에서 가까운 장래에 나노탄소 충전 FRP 복합재료의 현실적인 응용이 기대된다. 다만 형태1에서는 나노탄소 충전 복합재료에서 논의되었던 분산과 점도, 특히 점도의 문제가 충분히 고려되어야 하고, 형태2에서는 환경에 미치는, 휘발성 유기용매의 부정적인 영향을 최소화하여야 하며, 형태3에서는 탄소섬유 표면에 CNT를 성장시킬 때 탄소섬유의 물성이 저하되는 현상을 방지할 수 있는 기술의 진보가 있어야 한다는 것을 지적하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	강화재의 특성을 복합재료로 전환하기 위해 어떤 요소가 중요한가?	고분자 복합재료에서 강화재의 특성을 가능한 한 그 대로 복합재료에 투사하는 방안이 오래되고 보편적인 문제로 되어 있다. 강화재의 특성을 최대한 복합재료로 전환하기 위해서는 강화재의 분산, 배향, 계면의 상태가 매우 중요하다. 복합재료의 특성을 극대화하기 위한 필수조건은 강화재의 균일한 분산과 원하는 방향으로의 배향 그리고 응력전달을 효율적으로 하기 위한 계면의 최적화 설계이다.
	나노탄소 고분자 복합재료의 응용범위가 항공, 우주 그리고 전자에까지 확대할 수 있는 이유는 무엇인가?	CNT와 그래핀은 표면적이 큰 것은 물론이고 직경 대비 길이의 비가 높고, 강도와 탄성율이 탁월하여 고분자 복합 재료의 유망한 강화재로 인식되어 왔었다. 강도와 탄성율은 고강도/고탄성 탄소섬유 보다 월등히 우수하여 현존하는 재료 중 가장 뛰어난 것으로 평가되고 있다. 그 위에 전기 및 열전도성이 매우 높아 고분자 복합재료에 구조적인 강화와 전기 및 열전도기능을 동시에 부여할 수 있는 장점을 가지고 있다. 나노탄소 고분자 복합재료의 응용범위를 항공, 우주, 자동차를 넘어 전기, 전자에까지 확대할 수 있는 이유가 여기에 있다.
	CNT는 어떤 구조를 가지고 있는가?	CNT는 Fig. 1에서 보는 바와 같이 6각형의 탄소결합이 서로 연결되어 2차원 평면 시트를 이루고 있는 그래핀(Fig. 1의 왼쪽 하단)이 돌돌 말려서 만들어진 원통형의 구조를 가지고 있다[6]. Fig.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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