초록 ▼

□ 연구개요
본 연구에서는 구조 소재에 국한되어 있던 탄소섬유의 응용 패러다임을 벗어나 고부가가치 응용 분야를 확장하는 고기능성 촉매담지 탄소섬유의 개발을 최종목표로하며, 이를 달성하기 위해 다음의 연구목표를 가짐
● 촉매 담지 고기능성/고강성/고전도성 탄소섬유 제조 기술개발
● 촉매담지 탄소섬유의 공정조건에 따른 미세구조변화 및 전기화학적 특성 연구
● 열처리 공정변수 제어를 통한 semi-pilot scale 연속 생산 최적화
전구체 고분자로서 Polyacrylonitrile (PAN)와 Polyimi

□ 연구개요
본 연구에서는 구조 소재에 국한되어 있던 탄소섬유의 응용 패러다임을 벗어나 고부가가치 응용 분야를 확장하는 고기능성 촉매담지 탄소섬유의 개발을 최종목표로하며, 이를 달성하기 위해 다음의 연구목표를 가짐
● 촉매 담지 고기능성/고강성/고전도성 탄소섬유 제조 기술개발
● 촉매담지 탄소섬유의 공정조건에 따른 미세구조변화 및 전기화학적 특성 연구
● 열처리 공정변수 제어를 통한 semi-pilot scale 연속 생산 최적화
전구체 고분자로서 Polyacrylonitrile (PAN)와 Polyimide (PI), 전기화학 촉매 금속으로서 백금계(Pd/Ru) 및 비백금계 전이금속(transitiona metal; Co/Cu)을 중점으로 고분자-촉매금속 나노 복합 방사용액의 유변특성 및 조성 최적화가 이루어졌으며, 1) 고분자-촉매 복합 전구체 섬유, 2) 표면 선택적 촉매 담지 전구체 제조 기술 개발, 탄소섬유 제조 공정-미세구조-성능 피드백 연구 및 메커니즘 규명을 통한 탄소섬유의 batch 및 pilot line연속 제조 기술 및 공정변수에 따른 구조/물성/전기화학적 특성 및 전기화학 특성 평가 방법이 확립되었음.

□ 연구 목표대비 연구결과
정량적 연구목표로는 고분자-촉매 복합용액 유변물성 분석을 통한 리간드 및 용액 조성 최적화로 촉매 담지율 10.8 % (216 %) 까지 방사성 확보, 공정 최적화를 통한 촉매 담지 탄소섬유의 전도성 향상으로 257 S/cm (128 %)의 전기전도성 달성, 안정화/탄화 공정에 따른 탄소섬유의 미세구조 및 기계 물성 변화 데이터베이스화를 통해 인장강도 1.0 GPa (53 %) 및 인장탄성률 302 GPa (151 %) 달성, 안정화/탄화공정 변수에 따른 탄소섬유의 전기화학 특성 데이터베이스화 및 최적화를 통해 10,000 싸이클 이후 전류밀도 감소율 6.5 % (230 %) 미만으로 대부분의 목표를 기존 목표 수치를 상회하여 달성 하는데에 성공하였으며, 세부 달성 내용은 다음과 같음
● 고분자-촉매 (Pd/Ru/Co/Cu) 복합용액의 유변물성/방사성 최적화 연구
● 고분자-촉매 나노복합 전구체/탄소섬유의 고분자-금속 상호작용/탄소-금속 거동 메커니즘 규명 및 구조-물성 평가를 통한 최적 방사 용액 조성비 확립
● 방사 진행 시 촉매 유실 최소화를 위한 ligand screening
● 촉매금속 담지율 및 방사/연신 조건에 따른 구조-물성 제어
● 안정화/탄화 공정변수에 따른 탄소섬유의 미세구조 제어
● 방사/안정화/탄화 공정변수에 따른 탄소/금속 미세구조 제어 및 결함구조 분석
● 물성 및 전도성이 최적화된 직물형 촉매담지 탄소섬유 전극 제작
● 섬유형/직물형 탄소섬유 전극의 전기화학적 특성 평가 방법 개발
● 촉매담지 탄소섬유의 semi-pilot scale 연속공정 도입 및 공정변수 최적화
상기 목표를 달성하며, JCR 상위 5 %이내 학술지 3편, 10 % 이내 1편, 15 % 이내 1편 게재 및 국내 특허 등록 2건, 출원 1건, 국제 PCT 1건 출원을 달성하였으며, 전문인력으로는 박사 3명, 석사 2명을 배출하였음.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
본 연구를 통해 개발된 고기능성 촉매담지 탄소섬유는 기존 전기화학 촉매 전극의 Mass efficiency, 안정성, 전극 대면적화 한계를 극복하고 대용량 수전해 수소 생산기술 자립화에 기여 할 수 있을 것으로 보임. 본 연구에서 확보된 고기능성 촉매담지 탄소섬유의 미세구조-공정-기계적 물성/전기화학적 특성 제어 기술 및 Technology Readiness level(TRL) 6단계의 semi-pilot line 촉매담지 탄소섬유 연속 생산 기술은 연료전지 뿐만 아니라 배터리를 포함하는 에너지 변환/저장 장치, 바이오 센서, 유기합성 분야로도 확장될 수 있는 바, 다기능 탄소섬유 시장에 대한 선제적 대응역량을 확보하고 국내외 관련 산업의 기술 주도권 및 경쟁력 강화, 신산업창출의 기반이 되는 요소기술로 활용 될 수 있을 것으로 판단됨.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1) 연구필요성 ... 4
• 2) 연구목표 ... 5
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
• 1) 연구개발과제의 수행 체계 ... 5
• 2) 연구개발과제의 수행 내용 ... 6
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 12
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 12
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 13
• 3) 목표 달성 수준 ... 13
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 13
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 14
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 14
• 6. 자체점검표 ... 16
• 7. 참고문헌 ... 16
• 끝페이지 ... 29