MATERIAL SCIENCE : 탄소나노섬유 부직포

 충남대학교에서 진행하는 R&E 프로그램에 참여하여 제가 관심있는 재료공학을 사전 경험할 수 있는 좋은 기회가 있었습니다. 그것도 최근에 각광 받고 있는 '탄소나노섬유'가 주제! 저희 팀원들은 탄소나노섬유 부직포를 이용한 연구를 진행하였습니다. 재료, 정말 알수록 신비한 매력이 있는 것 같네요~ 그럼, 저희 연구에 대해 설명해드리도록 하겠습니다.

 

 먼저 탄소나노섬유란 무엇일까요? 탄소나노 섬유는 탄소를 90%이상 포함하고 있는 1 만의 굵기를 갖고 있는 섬유상 물질을 지칭하는 것으로 그것의 형상과 미세 구조에 따라서 그 응용 분야가 다릅니다. 우선 탄소원소의 기본특성이 재료를 형성했을 때 sp, sp2 , sp3 의 혼성에 의한 결합을 하기 때문에 다이아몬드와 같은 높은 강도, 흑연과 같은 우수한 전기, 열 전도성 및 화학적으로 안정하고 생체친화적인 특성을 나타내죠.

 

 

그렇다면 탄소나노섬유는 어디에 응용될 수 있을까요? 캐패시터, 즉 우리말로 하면 축전기. 이른바 ‘수퍼’ 캐패시터는 대용량 에

너지 저장이 가능한 장치로써 고출력 펄스파워 능력과 고전압 에너지 저장능력 등의 성능으로 인하여 대출력 펄스파워 및 피크파워의 부하평준화용으로의 응용이 기대되고 있다고 합니다. 이러한 초고용량 축전기에 적합한 전극물질은 넓은 표면적, 높은 전도도, 용이한 성형 및 가공성 등의 특성이 요구되는데, 이러한 특성을 만족시킬 수 있는 것이 최적의 소재가 바로 탄소 나노 섬유인 것입니다.

 

 

 탄소나노섬유의 높은 기계적 강도, 우수한 전기/열 전도성, 화학적 안정성은 정말 감탄할만 했습니다. 그렇다면 도대체 탄소나노섬유는 어떤 구조를 하고 있는 것일까요?

 

 Polyacrylonitrile(PAN)은 1950년 미국의 듀폰사(Dupont)가 Orlon이라는 브랜드로 최초로 상업 생산을 시작하였습니다. 비닐단량체를 중합하여 얻은 부가중합체를 방사하여 제조한 이 섬유는 넓은 의미로는 비닐계 섬유라고 한다. 그러나 아크릴로니트릴(Acrylonitrile : AN, -CH2=CH[CN]-)을 포함하는 비닐계 섬유로서 AN 함량이 85wt% 이상인 것을 아크릴섬유(acrylic fiber)라 하고, AN 함량이 85~35wt%인 것을 모다크릴섬유(modacrylic fiber)라 한다고 합니다.

 

 물론 PAN은 탄소나노섬유가 아니죠. 그러나 이 물질이 일련의 과정을 거치면, 전혀 다른 모습으로 변모하게 됩니다. 그 과정은 생략~

 

 

 다음으로 저희가 실험에 사용할 전기방사법에 대해 알아보겠습니다. 전기방사는 1795년 Bose가 표면장력에 의해 모세관 끝에 매 달려있는 물방울에 고전압을 부여할 때 물방울 표면에서 미세 필라멘트가 방출되는 정전 스프레이 현상을 발견한 것에 기원을 둘 수 있으며, 점도를 가진 고분자 용액이나 용융체에 정전기력이 주어질 경우 섬유가 형성되는 현상입니다.

 

 

 실험실의 전기방사장치는 수직으로 위치한 모세관 끝, 즉 방적돌기에서 고분자 용액은 중력과 표면장력 사이에 평형을 이루며 반구형 방울을 형성하며 매달려 있게 되는데요, 이때 전기장을 부여하면 표면장력과 반대되는 힘이 발생하여, 반구형 방울은 원추형 모양으로 늘어나게 되며, 전기장이 어느 세기 이상이 되면 표면 장력을 극복하면서 하전된 고분자 용액의 젯이 테일러 콘에서 계속해서 방출됩니다.

 

 

 고분자를 전기방사하게 되면 부직포를 얻을 수 있습니다. 만져보면 정말로 저희가 모두 생각하는, 그런 느낌의 부직표였습니다. 탄소나노섬유를 부직포로 만들고 이를 안정화시킨 뒤 탄화시키면 탄소나노섬유가 되는 것이죠. 그런데 안타깝게도 실험실 여건 상, 탄화시키는 것이 불가능했어요. ㅠㅠ 그래서 저희는 PAN 섬유의 부직포까지 만들어보고 그 특성을 분석하기로 하였습니다.

 

 탄소나노섬유 부직포는 세계적으로 개발단계에 있으며 우리나라와 미국에서 가장 활발한 연구진척을 보이고 있다고 합니다. 정수필터의 경우에는 이미 범용으로 세라믹, 역삼투압, 멤브레인 등에 의한 제품들이 실용화되어 있어 아직 기술력이 미미한 극세 섬유 정수필 터의 입지는 좁지만, 최근 산업 및 정수용 초고효율 필터의 수요가 늘어남에 따라 나노섬유에 의한 고효율 정수필터의 기술개발 필요성이 대두되고 있습니다. 또한 초박막, 초경량이면서 비표면적이크고 다공성이 우수하기 때문에 화생방용 방독면, 방탄조끼, 보호 의류 등 군사 용도로서의 응용이 가능하다고 합니다. 정말 만능물질이 따로 없죠?

 

 저희가 PAN 나노섬유 부직포에 대해 진행한 분석은 ‘표면구조 분석’, ‘화학구조 분석’, ‘전기/유전적 특성 분석’으로 총 세 가지입니다.

 

 

 SEM을 이용하여 사진을 찍은 결과, 아래와 같은 결과가 나타났습니다.

 

  왼쪽 사진이 잘 나오지 않은 것은 섬유가 너무 가늘어 투사된 전자로 인해 움직이는 효과가 타나났기 때문이에요 ;;

 

 아무튼 양쪽 그림을 보면 차이가 두드러짐을 알 수 있습니다. 왼쪽은 안정화(stabilization) 과정을 하기 전의 부직포이고, 오른쪽은 안정화 과정을 거친 후의 부픽포 사진입니다. 정확한 직경을 측정하여 보니 왼쪽은 700 nm, 오른쪽은 300 nm로 나노섬유의 직경이 감소하였음을 알 수 있는데, 이는 안정화과정에서 고리화 반응(cyclization)으로 기타 작용기들이 제거되었기 때문입니다.

 

 다음으로 구조를 살펴보았습니다. 구조분석을 위해 사용한 기기는 IR로, 시료의 작용기를 분석할 수 있었습니다.

 

 위의 분석결과에서 보면, 2243과 1595의 파장대에 주목할 필요가 있는데요, 첫 번째 파장대는 CN 삼중결합의 파장대이고, 두 번째 파장대는 C=N 이중결합의 파장대입니다. 이 결과를 통해 안정화과정에서 cyclization을 통해 CN기가 C=N기로 바뀌었음을 알 수 있죠.

 

 마지막으로 전기적/유전적 성질을 분석하였습니다.

 

 

 저희는 비록 PAN 섬유 부직포가 탄소나노섬유는 아니지만 안정화시키면 전기전도도에 큰 변화가 있을 것으로 내심 큰 기대를 걸고 있었습니다. 그런데 측정해본 결과, 전기전도성과 상대유전율, capacitance(전기용량)이 증가하긴 했지만 매우 미묘한 변화에 불과했습니다. 물론 탄화시킨다면 이 결과값들은 급격하게 증가할 것이 분명하겠죠?

 

 마지막으로, 교수님께서 탄소나노섬유로 만들어진 자동차 문짝을 들어 저희에게 보여주셨습니다. 보시면 깜짝 놀라실 것입니다. 문을 두드려보니 강철보다도 단단하게 느껴졌습니다. 더 놀라운 사실은, 한 손으로도 쉽게 들어올릴 수 있을 만큼 가볍다는 사실입니다. 재료공학의 매력이 바로 이런 점인 것 같아요. 어떤 기술의 가장 근본적인 것은 재료이기 때문에, 신소재는 자주 커다란 혁신을 몰고 옵니다.