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Research

• 연구 개요

  우리 주변에서 탄소재료는 흑연, 탄소섬유, 탄소나노튜브, 활성 탄소 등 다양한 모습으로 존재하며 이들 탄소 물질들은 형태와 화학 구조에 따라 서로 판이하게 다른 물성을 가지게 됩니다. 또한 같은 종류의 탄소 물질이라 하더라도 물성은 합성 및 제조 원료, 제조 공정, 그리고 제조 후 처리 공정에 의해 큰 영향을 받게 됩니다. 이렇게 제조된 탄소 물질은 그 물성에 기반하여 일상생활용품에서부터 우주공학용 소재에 이르기까지 다양한 분야에서 활발히 쓰이고 있습니다. KIST 탄소공학연구실은 이처럼 과학 및 기술 영역과 모두 깊은 관계를 맺고 있는 연구 대상인 탄소 물질의 화학 구조 및 공정에 따른 성질 변화를 과학적으로 규명하여 더 나은 화학적, 기계적, 전기적, 열적 물성을 가지는 탄소 물질을 개발하는 데 연구의 주안점을 두고 있습니다.

  

  다양한 탄소 물질들. 왼쪽 위부터 시계방향으로 흑연전극봉, 탄소섬유, 탄소나노튜브 (TEM 사진), 활성 탄소 분말

  탄소재료 과학기술을 발전시킴으로써 우리의 삶의 방식을 완전히 바꾸어 놓을 4차 산업 혁명을 선도할 다양한 소자 및 기기들을 만드는 데 기여할 수 있습니다. 또한 다양한 기능성 탄소 소재를 지속 가능한 원료와 공정을 통해 개발함으로써 미래 에너지 및 환경 문제에 선제적으로 대응할 수 있습니다. 이러한 요구에 부응하고자KIST 전북분원 탄소융합소재연구센터의 구성원인 우리들은 선구 물질의 합성에서부터 제조 공정에 이르기까지 재료 물성 향상과 관련된 탄소재료 제조 기술을 확립하고 선도하는 것을 목적으로 하고 있습니다.

  1. 신개념 탄소섬유 제조 기술 개발

  1860년 전구 필라멘트로 사용하기 위해 Joseph Swan이 최초로 개발했다고 알려진 탄소섬유는 뛰어난 기계적 물성과 더불어 낮은 밀도, 우수한 내화학성 및 내열성으로 인해 우수한 경량 복합소재를 만드는 데 이상적인 물질로 꼽히는 소재입니다. 실제로 탄소섬유는 자동차, 항공, 스포츠산업 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

  

  탄소섬유 연구의 역사를 간략하게 나타낸 도표 (그림 출처: Carbon, 2019, 142, 610.)

  탄소섬유 제조를 위해서는 통상적으로 다섯 가지의 공정을 거치는데 선구물질(precursor) 합성, 방사(spinning), 안정화(stabilization), 탄화(carbonization), 그리고 표면 처리 공정입니다. 이들 과정 중 우리 연구실은 특별히 탄소섬유의 열 안정화 과정을 주목하여 연구하고 있습니다. 선구물질로부터 방사된 섬유는 열 안정화 과정을 통해 공기 중 산소와 결합함으로써 불융성(infusible) 섬유가 되는데, 이 과정이 있어야만 뒤이은 탄화 과정에서 높은 수율의 고강도 탄소섬유로 전환될 수 있습니다. 선구물질을 어떤 것으로 썼느냐에 따라 안정화 조건과 시간은 달라지지만 공기 중 산소가 섬유 속으로 확산되어 들어가 반응을 유도해야 하기 때문에 통상적으로 탄소 섬유 제조 공정 중 가장 시간적으로 긴 공정입니다.

  우리는 다양한 신개념 공정 방식을 추가함으로써 안정화에 들이는 시간과 에너지 소비를 줄일 수 있음을 확인하였고, 이를 통해 탄소섬유의 물성을 열화시키지 않으면서 제조 원가를 절감하는 새로운 안정화 공정 개발을 진행하였습니다.

  Acceleration of the thermal stabilization process by plasma treatment

  

  플라즈마 처리된 PAN 섬유로부터 만들어지는 탄소섬유 (그림 출처: Carbon, 2013, 55, 361.)

  Irradiation techniques for rapid stabilization of carbon fibers

  

  전자선 조사된 의류용 PAN 섬유로부터 만들어지는 탄소섬유 (그림 출처: Carbon, 2017, 118, 106.)

  2. 고강도 탄소섬유 제조

  탄소섬유를 제조할 때 사용하는 원료 물질로 흔히 폴리아크릴로니트릴(PAN), 레이온, 피치(pitch)를 꼽는데, 이들 선구물질은 방사를 통해 섬유 형태로 제조되어 안정화, 탄화, 흑연화 열처리를 통해 탄소섬유로 전환됩니다. 이때 안정화 및 탄화 과정 중에 다(多)방향성 탄소구조층을 포함하는 정렬된 탄소구조가 형성되므로 이들 열처리 과정은 최종 탄소섬유의 기계적 물성을 결정짓는 중요한 공정입니다. 예를 들어, 열 안정화 과정 중 공기 중 산소가 균일하게 섬유 속으로 확산되지 않으면 불균등한 안정화 반응 혹은 과도하게 빠른 산화 반응이 일어남에 따라 낮은 물성을 가지는 탄소섬유가 만들어질 수 있습니다. 또한 탄화 이전에 섬유에 존재했던 다양한 이종 원소들(H, N, O, S 등)을 효과적으로 제거함으로써 보다 정렬된 탄소 구조를 유도하려면 적절하게 제어된 탄화과정이 필수적입니다.

  

  탄소섬유 제조 과정 모식도

  따라서, 안정화 및 탄화 방식 및 조건을 잘 조절해야만 탄소 흑연 구조를 잘 발달시킬 수 있고, 동시에 섬유 표면 및 내부에 발생할 수 있는 결함을 줄일 수 있습니다. 우리 연구실은 안정화 및 탄화 과정 중에 발생하는 물질의 화학적 변화과정을 심도있고 체계적으로 연구함으로써 이들 열처리 과정을 최적화하고 있습니다. 이를 위해 다양한 열처리 조건들, 예를 들면 승온(昇溫) 속도, 시작 및 최종 온도 등을 조절함으로써 탄소섬유 화학 변화를 제어하고 그 특성을 관찰하고 있습니다. 본 연구들을 위해 KIST 전북분원이 보유하고 있는 다양한 분석 기기들을 활용하고 있으며, 이를 통해 섬유 내부의 구조 발달과 이들의 물리적 성질이 어떤 연관을 가지고 있는지 확인하고 있습니다.

  Mechanistic study of carbonized pitch fiber with different carbonization temperature

  

  서로 다른 탄화 온도 조건 하에서 발달하는 탄소섬유 내부구조 형상 (그림 출처: J. Anal. Appl. Phys. 2018, 136, 153.)

  Relationship between stabilization variables on mechanical properties of pitch-based carbon fibers

  

  서로 다른 승온 속도 조건의 안정화 과정을 거쳐 만들어진 피치 탄소섬유의 물성 및 SEM 사진 (그림 출처: J. Ind. Eng. Chem. 2018, 58, 349.)

  Opto-thermal technique for measuring thermal conductivity of carbon fibers

  

  라만 분광법을 통해 측정하는 탄소섬유 열 전도도 (그림 출처: J. Ind. Eng. Chem. 2019, 78, 137.)

  3. 저가 원료로부터 제조한 탄소재료

  탄소섬유는 일반적으로 폴리아크릴로니트릴(PAN), 피치(pitch), 레이온 등의 물질로부터 안정화 및 탄화 과정을 거쳐 만들어집니다. 이렇게 만들어진 탄소섬유는 굉장히 뛰어난 물성을 가지고 있음에도 불구하고 항공산업이나 군수산업 등의 제한적인 분야에서만 쓰이고 있는 실정입니다. 이는 탄소섬유의 제조 원가가 굉장히 높기 때문으로 높은 탄소섬유 제조 원가의 상당 부분은 비싼 선구물질과 관련이 되어 있습니다. 따라서 선구물질의 가격을 낮추는 것이야말로 탄소섬유의 가격을 획기적으로 낮출 수 있는 가장 직관적인 방법이라고 할 수 있습니다. 예를 들어 PAN 탄소섬유의 경우, 선구물질인 PAN 섬유를 제조하는 데 드는 비용이 전체 탄소섬유 제조 원가의 53%를 차지하고 있습니다. 따라서 통상적인 PAN보다 훨씬 싼 선구물질을 개발하는 것이 이 목적에 부합하는 것이며, 이를 위해 많은 사람들이 의류용 PAN이라든지 석유나 콜타르로부터 얻은 점탄성의 물질인 피치를 활용하는 연구를 진행해 왔습니다.

  

  PAN 탄소섬유 가격 구조를 나타낸 그림 (그림 출처: U.S. Department of Energy (2011))

  우리 연구실은 폐플라스틱과 같은 폐기물로부터 탄소섬유를 합성하는 연구를 진행하고 있는데, 이 연구는 폐기물을 매립하거나 소각할 때 발생하는 생태계 파괴 문제에 대응하는 동시에 폐기물을 유용한 탄소물질로 전환하는 새활용(upcycling) 방식을 제안하는 것이므로 환경 문제에 적극적으로 대응하는 방식으로서 주목받고 있습니다. 이러한 목적의 일환으로 우리는 폴리에틸렌(PE) 폐기물, 우모분(羽毛粉), 리그닌(lignin)과 같은 물질들을 화학적으로 처리함으로써 탄소섬유나 활성 탄소와 같은 다양한 탄소 소재를 제조하고 있습니다.

  Carbon materials converted from plastic wastes

  

  폐플라스틱을 탄소섬유로 전환하는 모습을 나타낸 그림

  

  LLDPE로부터 새활용된 탄소 물질의 높은 전기 전도도 (그림 출처: Chem. Mater. 2017, 29, 9518.)

  화학적으로 개질된 리그닌으로부터 얻은 저가 탄소 섬유

  4. 에너지 소재로 사용될 혁신적 기능성 탄소 소재 개발

  리튬이온전지의 탄생 이후로 다양한 음극재 개발이 시도되었으나 아직까지도 흑연이 압도적으로 널리 쓰이고 있습니다. 흑연의 이론상 최대 용량은 ~372 mAh/g 정도로 낮음에도 불구하고 흑연이 많이 사용되는 이유는 활용이 용이하고 싼 값에도 높은 성능과 안정성을 취할 수 있다는 장점 때문입니다. 이러한 이유로 리튬 혹은 소듐 이온 전지 및 연료 전지와 같은 에너지 저장장치 개발 연구에는 항상 탄소 물질이 음극재 물질로서 우선적으로 연구되곤 합니다. 음극재 물질의 표면적을 넓히고 전기 전도도를 높인다면 용량, 장기 안정성, 효율을 획기적으로 높일 수 있기 때문에 탄소공학연구실에서는 최종 제조되는 탄화 물질의 거시 및 미시구조를 제어함으로써 최적화된 전기화학적 성질을 가지는 탄소재료를 제조하는 것을 목적으로 연구를 진행하고 있습니다. 이렇게 제조된 재료는 차세대 에너지 저장장치에 널리 쓰일 것으로 기대됩니다.

  에너지 저장장치에 사용되는 탄소물질