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휘향 강
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1 Vol. 26, No. 3, (2013) DOI: ISSN (Print), ISSN (Online) Review Paper 나노탄소고분자복합재료 최철림 * Nanocarbon Polymer Composites Chul Rim Choe* ABSTRACT: 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. 초록 : 탄소나노튜브 (CNT) 와그래핀같은나노카본은기계적성질이탁월하고직경대길이의비가커서고분자복합재료의강화재로이상적인것으로생각된다. 그동안나노탄소의특성을복합재료에그대로전환시키기위한많은연구들이있었지만여전히해결되지않은많은문제, 예를들면효율적인공정의개발등이숙제로남아있다. 이총설에서는 CNT와그래핀을이용하는나노탄소고분자복합재료분야에서이룬그간의발전을살펴보았으며, 여러가지나노탄소고분자복합재료에서기계적인강화가어느정도이루어지는지비교, 분석하고향후연구개발방향을전망하였다. Key Words: 나노탄소 (nanocarbon), 탄소나노튜브 (carbon nanotube), 그래핀 (graphene), 고분자복합재료 (polymer composites) 1. 서론 나노탄소중에서도가장유망한것으로알려져있는 CNT 가 1991년 [1], 그래핀이 2004년 [2] 그실체가알려진이후그들의독특하고탁월한특성때문에수많은과학기술자들의연구대상이되어왔었다. 연구방향은대체로세가지로분류할수있다. CNT와그래핀그자체를응용하는연구, 고분자복합재료의강화재로이용하는연구 [3-7], 무기물과의혼성에의한특성의상승효과를구현하는하이브리드에대한연구 [3,7,8] 가그것이다. 여기서는나노탄소고분 자복합재료에초점을맞추어최근의연구동향을살펴보았다. CNT와그래핀은표면적이큰것은물론이고직경대비길이의비가높고, 강도와탄성율이탁월하여고분자복합재료의유망한강화재로인식되어왔었다. 강도와탄성율은고강도 / 고탄성탄소섬유보다월등히우수하여현존하는재료중가장뛰어난것으로평가되고있다. 그위에전기및열전도성이매우높아고분자복합재료에구조적인강화와전기및열전도기능을동시에부여할수있는장점을가지고있다. 나노탄소고분자복합재료의응용범위를항공, 우주, 자동차를넘어전기, 전자에까지확대할수있 접수 : 2013 년 5 월 11 일, 게재승인 : 2013 년 6 월 14 일 * 한국과학기술연구원명예연구원, 한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램전문연구위원, Corresponding author( crchoe@kist.re.kr)

148 최철림 는이유가여기에있다. 고분자복합재료에서강화재의특성을가능한한그대로복합재료에투사하는방안이오래되고보편적인문제로되어있다. 강화재의특성을최대한복합재료로전환하기위해서는강화재의분산, 배향, 계면의상태가매우중요하다. 복합재료의특성을극대화하기위한필수조건은강화재의균일한분산과원하는방향으로의배향그리고응력전달을효율적으로하기위한계면의최적화설계이다.

2 148 최철림 는이유가여기에있다. 고분자복합재료에서강화재의특성을가능한한그대로복합재료에투사하는방안이오래되고보편적인문제로되어있다. 강화재의특성을최대한복합재료로전환하기위해서는강화재의분산, 배향, 계면의상태가매우중요하다. 복합재료의특성을극대화하기위한필수조건은강화재의균일한분산과원하는방향으로의배향그리고응력전달을효율적으로하기위한계면의최적화설계이다. 복합재료의가공공정은이러한요소들을통제하는과정이다. 강화재의물리적혹은화학적표면처리, 계면활성제의투입, 전기적이나기계적인기법에의한배향등은모두고성능의복합재료를얻기위한수단이다. 나노탄소복합재료에서도기존의나노복합재료에서당면하는문제들이상존하고있다. 강화재가나노크기로작아지면표면적이기하급수적으로커진다. 그결과로함량이증가하면강화재의표면이모두매트릭스에젖기가어려워지고, 다시말하면분산이쉽지않고, 이에더하여시스템의점도상승으로가공이거의불가능해진다. 이것이나노탄소복합재료를포함하여나노복합재료의강화재함량을높이기가힘든이유이다. 본총설에서는나노탄소들의탁월한구조와기능에도불구하고이러한문제들을여전히안고있는나노탄소복합재료분야에서지난 20여년동안이루어졌던진보를되돌아보고, 나노탄소들, 특히 CNT 와그래핀의강화효과를비교, 분석하여향후연구개발방향을전망해보았다. 2. 나노탄소 CNT는 Fig. 1에서보는바와같이 6각형의탄소결합이서로연결되어 2차원평면시트를이루고있는그래핀 (Fig. 1 의왼쪽하단 ) 이돌돌말려서만들어진원통형의구조를가지고있다 [6]. Fig. 1은단일벽탄소나노튜브 (SWCNT) 를나타내고있지만실질적으로는제조방법에따라직경이서로다른 SWCNT들이중첩되어있는다중벽 (MWCNT) 으로되어있기도하다. 직경은수nm에서 100 nm에이르고길이는 mm 단위까지달한다. 2차원평면구조를가지고있는그래핀은흑연을구성하고있는기본단위이다. 흑연은수많은그래핀층들이 0.34 nm의간격으로쌓여있는결정구조를가지고있다. Table 1은 CNT와그래핀의특성을나타내고있다. CNT 의물리적인특성치가상당한폭을가지는것은제조방법과공정조건에따라직경, 미세구조에차이가나고결함의정도가달라지기때문이다. MWCNT가 SWCNT에비해강도가다소떨어지지만제조가용이하고값이저렴하여복합재료에실질적으로응용될가능성이높다. 그래핀의경우는순수한그래핀이아니고 rgo(reduced Graphene Oxide) 가주로이용된다. 순수한그래핀을제조하는방법이여러가지가알려져있지만흑연을산화하여얻은산화그래핀 (GO) 을다시환원하여제조한 rgo가순수한그래핀보다대량으로제조하기가용이하고값이쌀뿐만아니라고분자와의혼화성도우수하기때문이다. 그러나 GO를다시환원시켰다하더라도 rgo의분자에는상당수의산소가존재함으로그래핀이가지고있는고유한특성이어느정도희생될수밖에없다는것에유의하여야한다. rgo 뿐만아니라 GO도그자체로충전재로이용되기도한다. 강도와전기전도도가그래핀과 rgo에비하여떨어지지만상대적으로저렴하고복합재료가공이용이하여그나름으로의미가있다. 그래핀과 rgo가무기용매와유기용매에대한용해성이제한적인반면 GO는물뿐만아니라극성용매를사용하여고분자와잘혼합할수있는장점을가지고있다. 3. 나노탄소고분자복합재료 Fig. 1. (A) CNTs visualized by rolling sheets of graphene (B) CNT by high-resolution TEM [6]. 나노탄소고분자복합재료는고분자와나노탄소가복합화되는형식에따라세가지로구분할수있다. 첫째는복 Table 1. Physical properties of CNTs and graphene Property SWCNTs MWCNTs Graphene Tensile stiffness ~1.4 TPa ~0.3-1 TPa ~1 TPa Tensile strength GPa GPa Specific resistance 5-50 µωcm 5-50 µωcm 1-50 µωcm Thermal conductivity Wm 1 K Wm 1 K 1 (3-5) 10 3 Wm 1 K 1

3 나노탄소고분자복합재료 149 합재료의전통적인형태인, 나노탄소그자체가충전재로고분자연속상에분산되어있는것이고, 둘째는나노탄소가기존의섬유강화복합재료 (FRP) 의강화섬유사이혹은강화섬유표면에분산배치되어있으며, 셋째는나노탄소를거시적인섬유형태로전환하여전통적인방법으로고분자와복합화한것이다. 편의상여기서는이들을각각나노탄소충전복합재료, 나노탄소충전 FRP 복합재료, 나노탄소섬유복합재료로구별하여다루었다. 3.1 나노탄소충전복합재료 CNT가알려진이후처음으로시도되었던것은고전적인방식으로 CNT 그자체를고분자매트릭스에분산하여물성을극대화하고자하는 CNT 충전고분자복합재료였다. 이러한연구는당시클레이 (Clay) 나나노크기의무기입자를이용하는나노복합재료의발전에힘입어필연적인것으로관련과학기술자들의많은관심을받았다. 그래핀은개발시기가달라 CNT에비해고분자복합재료의충전재로늦게응용되기시작하였으나그특성이 CNT 못지않아최근에는그연구의폭을넓혀가고있다. 나노탄소고분자복합재료를제조하는방법으로는용액법 ( 열경화성수지와열가소성수지 ), 벌크혼합 ( 열가소성수지 ), 용융혼합 ( 열경화성수지와열가소성수지 ), 인시츄중합 ( 열경화성수지와열가소성수지 ) 등이있다. CNT 충전복합재료의고분자매트릭스에는에폭시수지, 나일론-6(PA-6), 폴리아크릴로니트릴 (PAN), 폴리카보네이트 (PC), 폴리에틸렌 (PE), 초고분자량폴리에틸렌 (UHMWPE), 폴리이미드 (PI), 폴리메틸메타아크릴레이트 (PMMA), 폴리푸로필렌 (PP), 폴리스타이렌 (PS), 폴리우레탄 (PU), 폴리비닐알콜 (PVA) 등다양한종류의열경화성수지와열가소성수지가있다 [4,5]. 에폭시-MWCNT 복합재료의모듀라스와전기전도성은일반적으로 MWCNT의양이증가함에따라개선되지만그양상은단순하지가않고 MWCNT의최대농도는 10 wt% 에도미치지못하였다 [9-14]. MWCNT의분산성을향상시키기위하여분산제를화학적인결합으로 MWCNT 표면에도입하면모듀라스는대폭증가하지만전기전도성은오히려감소하였다 [10,11]. 이는분산성이개선되어 MWCNT가에폭시에고르게분산됨으로써에폭시에부과된하중이효율적으로 MWCNT에전달되어강화효과는극대화되지만, MWCNT 표면에화학결합으로도입된분산제가전자의흐름을분산시킬뿐만아니라 MWCNT 사이의긴밀한접촉을방해하여오히려전기전도성을저해하는것으로이해되고있다. 대부분의 CNT-고분자복합재료에서는 CNT의함량이 10 wt% 를넘지못하고있지만 PAN-MWCNT의현탁용액을전기방사한 PAN-MWCNT 섬유 [15] 와 UHMWPE -MWCNT의현탁용액을가열한후젤화 / 결정화과정을거쳐제조한 UHMWPE-MWCNT 복합재료 [16] 의경우는 CNT 함량이 20% 까지보고되어있다. 전자의경우인장강도는 5wt% 에서최대를이루고있으나모듀라스는계속해서증가하고있다. 후자에서는 CNT 함량에따른전기전도도의추이를나타내고있는데전기전도도는 10 wt% 내외에서급격히증가하고 12~13 wt% 까지완만한증가세를유지하다가감소하였다. 그래핀은 CNT에비하여후발주자이지만기계적, 전기적성질이비슷하고보다저렴하기때문에 CNT의대체재료로많은관심을끌고있다. 그래핀충전복합재료의고분자매트릭스는 CNT 충전복합재료에서사용한대부분의고분자가포함되어있다 [7]. 나노탄소부분에서이미이야기하였듯이그래핀충전복합재료에서사용되는그래핀은기술과경제적인관점을감안하여 GO 혹은 rgo가대부분이다. rgo는유기용매와무기용매에제한적으로용해되지만 GO는물에잘용해되기때문에수용성고분자인 PVA 와는혼화성이우수하다 [17,18]. 수용성고분자인 PVA 를매트릭스로하는 PVA-GO 복합재료의모듀라스와항복강도가 GO 3 wt% 에서각각 4.8 GPa, ~110 MPa로매우높은것은이러한혼화성때문이다. 수용성이아닌경우에는충전재와매트릭스계면의구조설계가필수적이다. GO표면을 PU의말단에존재하는아이소시아네이트기 (Isocyanate group) 와화학결합시킴으로써 GO-PU 복합재료의모듀라스와경도가 GO 함량 4.4% 에서각각 900%, 327% 증가하였다 [19]. 그래핀충전복합재료의전기전도도증가는매우현저하였다. 비닐크로라이드와비닐아세테이트공중합체에서는 rgo 0.15 vol%[20], 그래핀충전폴리에스터 (PET) 복합재료에서는그래핀 0.47 vol%[21], 표면처리된그래핀충전 PS 복합재료에서는 0.1 vol%[22] 일때전기전도도가급격히상승하는현상 (Percolation threshold) 이일어난다. 따라서매우낮은농도에서도부도체인고분자의성질이도체로바뀔수있다. 나노크기의충전재를복합재료의강화재로이용하는나노복합재료에서강화효과는분산성및계면특성과관련된힘의효율적인전달에의해결정되고, 충전재의함량이증가함에따라분산에한계가있어강화효과가떨어진다는것은널리인식되고있는사실이다. 그러나개개의단위실험들에서제공되는자료들에서충전재함량에따른특성의상승효과경향을알기는쉽지않다. 나노탄소충전복합재료의나노탄소함량에따른강화효과나전기전도도상승효과를평가하는방법으로는단위함량의증가에따른특성의증가율 (dp/dmf) 을함량에따라도표화하는것이다 [3,23]. Fig. 2는여러가지 CNT 고분자복합재료에서자료를발췌하여 CNT의함량에따라모듀라스의증가율이어떻게변화하는가를보여주고있다 [3]. 그라프에의하면모듀라스의증가율은 CNT의함량이증가하면서뚜렷하게감소하고있다. CNT의효과적인강화효과는 5 wt% 이내에서볼수있으며 10 wt% 이상에서는강화효과가거의없는것으

4 150 최철림 Fig. 2. Increase in modulus against mass fraction for a wide variety of CNT polymer composites [3]. Fig. 3. Increase in modulus against mass fraction for graphenebased polymer composites [3]. 로나타나고있다. 자료들의분포정도가심한것은제조방법의적절성이나표면처리의유무에따라매우다른결과를가져올수있다는것을이야기하고있다. Fig. 3은그래핀고분자복합재료의자료를보여주고있다 [3]. 그라프는 CNT와거의유사한경향을나타내고있다. 그래핀의모듀라스가 CNT 보다우수하다는것을감안하면기대에미치지못하는결과이다. 이는분산성의문제외에도충전재의길이대직경의비가작고그래핀에비해원천적으로 rgo의낮은모듀라스 (250 GPa 정도 ) 에기인하는것으로생각된다. Fig. 2와 3에서보듯이나노탄소의함량이증가함에따라분산성의문제때문에강화효과가뚜렷하게떨어진다. 최고 2600 m 2 g -1 에달하는나노탄소의큰표면적과고분자와의원천적인비상용성때문에나노탄소의함량이증가함에따라고분자가나노탄소표면을모두적시기가매우어렵다. 따라서상당한분량의나노탄소가제대로분산되지않고뭉쳐있는덩어리로남게되어강화효과가급격하게저하된다. 함량의한계를결정하는또다른하나의요인은혼합공정의효율성을떨어뜨리는점도의상승이다. Fig. 4. Increase in electrical conductivity against mass fraction for graphene-based polymer composites [3]. 완전한분산에의한기계적인특성의극대화와는달리열이나전기의전도거동은충전재의그물망구축이결정적인요인이되고, 이외에도충전재와충전재, 충전재와고분자매트릭스사이의계면저항에도상당한영향을받는다. 그기에더하여충전재의분산성을향상시키기위한표면처리는나노탄소의전도거동에부정적인요소로작용한다. Fig. 4는그래핀고분자복합재료의경우그래핀함량에따른전기전도도증가율변화를보여주고있다 [3]. 그라프에서보듯이모듀라스의경우와는확연히다르게함량이증가함에따라증가율은급격하게감소하지않는다. 그러나높은함량에서는기대치이하이다. 이러한결과는다음과같은원천적인두가지차이에기인한다. 하나는특성을결정하는메카니즘이다르다는것이다. 함량이낮더라도매트릭스의기계적인특성에는현저한영향을미치지만전기전도도의경우는그렇지못하다. 기계적인특성은혼합법칙에의하여결정되기때문에매트릭스에비해월등하게우수한나노탄소가낮은함량에서도복합재료의특성을지배한다. 그러나전기전도도의경우는전기전도도가나노탄소의그물망구축에의해발현됨으로낮은함량에서는괄목할만한증가를기대하기어렵다. 두번째차이는분산의형태이다. 기계적인특성의경우는충전재와매트릭스사이의응력전달을최대화하는균일한분산이필수적이지만전기전도도의경우는어느정도분산이덜되더라도충전재사이의접촉만유지되면된다. 이에더하여충전재로이용되는그래핀은순수한것이아니고화학적으로개질한 rgo가대부분이기때문에순수한것에비하여구조적인결함이많아전기전도도가낮은것도하나의이유가될수있다. 분산성과가공의제한조건에의한함량의한계로인해나노탄소충전복합재료는특히기계적인특성면에서기존의고성능복합재료, 예를들면탄소섬유복합재료와경쟁하기어렵다. 그러나전기및열전도성, 난연성의측면에서는기존의고분자복합재료의틈새시장에서유리한위

나노탄소고분자복합재료 151 치를점할수도있을것이다. 이를위해서는무엇보다도먼저필요한것은매우저렴한기존의충전재와가격경쟁에서불리하지않은생산단가이다. 3.2 나노탄소충전 FRP 복합재료위에서본바와같이나노탄소를충전재로이용하는나노탄소복합재료에서는나노탄소들의효율적인강화효과가 0.1 이하의매우낮은부피분율에국한되어있다.

5 나노탄소고분자복합재료 151 치를점할수도있을것이다. 이를위해서는무엇보다도먼저필요한것은매우저렴한기존의충전재와가격경쟁에서불리하지않은생산단가이다. 3.2 나노탄소충전 FRP 복합재료위에서본바와같이나노탄소를충전재로이용하는나노탄소복합재료에서는나노탄소들의효율적인강화효과가 0.1 이하의매우낮은부피분율에국한되어있다. 이것은분산성을높이고가공을용이하게하여원하는제품을제조하기위해서는불가피하다. 결과적으로나노탄소의기계적특성이탁월하다고하더라도함량을높일수없기때문에나노탄소복합재료는탄소섬유등을이용하는부피분율이 에달하는기존의고성능복합재료와비교하여기계적특성면에서우위를점하기가어려워현실적으로이들과경쟁하기가쉽지않다. 새롭고유망한접근법이나노탄소충전 FRP 복합재료이 Fig. 5. Representation of different configurations of nanocarbons in FRP [3]. 다. 이것은나노탄소를기존의섬유강화고분자복합재료인 FRP에도입하여이들을마이크론크기의섬유들사이혹은섬유표면에분산배치함으로써소기의성과를거두고자하는것이다. 이렇게함으로써층간전단강도를개선할수있어적층고분자복합재료에서흔히발생하는층간분리현상을상당량줄일수있고, 기존의 FRP에전기전도성이나열전도성과같은기능을부여할수있어용도의확대를꾀할수있다. 나노탄소충전 FRP 복합재료에서나노탄소를도입하는방법은세가지로생각할수있다. Fig. 5에서볼수있는것과같이첫째는나노탄소를고분자매트릭스에분산시킨후충전재 ( 마이크론크기의유리섬유, 탄소섬유등 ) 가들어있는고분자매트릭스와함께가공하면이와같은복합재료구조를얻을수있다 ( 형태1). 둘째는나노탄소를적층판사이의계면에미리분산배치하는것이다 ( 형태2). 이러한구조는복합재료가공전에휘발성용매와혼합한나노탄소분산액을충전재 ( 마이크론크기의유리섬유, 탄소섬유등 ) 나프리프레그표면에분사하거나배향이잘되어있는나노탄소의매트를에폭시를이용하여프리프레그표면에접착시켜얻을수있다. 후자의방법은층과층사이에도입되는나노탄소를원하는방향으로배향할수있어, 매력적인기법으로평가되고있다. 셋째는가공전에나노탄소를강화섬유표면에먼저화학적으로성장시키는것이다 ( 형태3). 이방법은지금까지 CNT의경우에만알려져있는데, 화학증착법을이용하여강화섬유의표면에방사선상으로 CNT를성장시킨다. Table 2는문헌상에나타난각종나노탄소충전 FRP 복합재료의특성향상자료이다. 여기서는섬유와섬유층사이의매트릭스밀집층에지배적으로영향을받는특성인층간전단강도 (ILSS) 와파괴강인성 (Mode1과 Mode2) 을다루고있다. Table 2는매우낮은 CNT 함량에서도상당한정도의특성향상이일어난다는것을말해주고있다. 이외에도 Table 2. Property improvement in CNT/FRP composites [3] System Mechanical improvement Mass fraction Filler integration* CNT/glass/epoxy 20% ILSS disrpersed(type1) CNT/Glass/Polyester 100% Mode disrpersed(type1) CNT/CF/epoxy 60% Mode disrpersed(type1) 75% Mode2 CNT/CF/vinyl ester 45% ILSS - pre-placed on fiber(type2) CNT/CF/epoxy 150% Mode1 200% Mode2 - pre-placed between laminates (type2) CNT/CF/epoxy 27% ILSS - synthesised on fiber(type3) 50% Mode1 CNT/alumina/epoxy 69% ILSS 76% Mode1 - synthesised on fiber(type3) *refer to the text for type 1, 2, and 3.

6 152 최철림 Spinning method* Table 3. Composition and Properties of CNT fibers [3] Composition Tensile strength (GPa) Tensile stiffness (GPa) Electrical conductivity Sm -1 Array(1) CNT Liquid crystal(2) CNT Coagulation(3) CNT/PVA Coagulation(3) GO/PVA Gas phase(4) CNT *refer to the text for the number in parenthesis. aramid carbon fiber CNT와 CNT 섬유 (CNF) 를전기영동법으로동시에탄소섬유표면에도입하여두께방향전기전도도의향상을보고한최근의연구 [24] 도있다. 기존의 FRP에나노탄소를충전시킨나노탄소충전 FRP 복합재료는매우현실적이고유망한가능성을가지고있다. 무엇보다도이형태의복합재료에서는나노탄소의역할이복합재료의전반적인특성향상을위한것이아니고부분적인결점을보완하거나추가적으로새로운기능을부여하기위한것이기때문에매우낮은함량에서도이러한효과를얻을수있는장점을가지고있다. 더욱이이러한형태의복합재료는기존의탄소섬유고분자복합재료와같은고성능복합재료와직접경쟁하기위한것이아니고특성향상을통하여응용의폭을보다넓히기위한것이다. 이러한관점에서가까운장래에나노탄소충전 FRP 복합재료의현실적인응용이기대된다. 다만형태1에서는나노탄소충전복합재료에서논의되었던분산과점도, 특히점도의문제가충분히고려되어야하고, 형태2에서는환경에미치는, 휘발성유기용매의부정적인영향을최소화하여야하며, 형태3에서는탄소섬유표면에 CNT를성장시킬때탄소섬유의물성이저하되는현상을방지할수있는기술의진보가있어야한다는것을지적하고자한다. 3.3 나노탄소섬유복합재료나노탄소복합재료가가지고있는분산성과가공성의문제를해결하기위한방안중의하나가나노크기를마이크론크기로전환하는것이다. 나노크기의나노탄소를마이크론크기의섬유로만들면나노크기에서발생하는많은문제들이스스로해결된다. 이에더하여섬유방향으로나노탄소를배향하는것이가능해져나노탄소의특성을극대화할수있고, 나아가서는복합재료가공시섬유의방향성을자유자재로조절할수있기때문에복합재료의다양한구조설계가가능해진다. 이러한발상은 CNT 섬유의기술개발진행과맞물려자연발생적으로탄생한것이다. CNT 섬유에대한최근의기술진보를개괄적으로다룬 문헌 [25] 이발표되어있다. CNT 섬유는여러가지방법으로제조할수있다 : (1) 잘배열된 CNT의어레이 (Array) 로부터연신하는방법 [26], (2) 액정 CNT 분산물방사 [27], (3) 고분자와 CNT 혼합물의응고방사 [28], (4) CNT 성장중기체상으로부터직접방사 [29] 하는방법이알려져있다. Table 3에는서로다른방법으로제조된 CNT 섬유의특성을나타내고있다. Table 3에서보듯이나노탄소섬유는탄소섬유에필적하는기계적인특성을가지고있으며전기전도도는탄소섬유보다훨씬우수하다. 그러나제조방법에따라특성의차이가많다는것에유의할필요가있다. 응고방사의경우를제외하면나노탄소섬유는기존의고성능고형섬유들과는달리다공성으로고형섬유들에비해표면적이 1000배이상크다. 이와같이독특한구조때문에모세관효과에의하여고분자매트릭스가쉽게섬유표면을적실수있는장점을가지고있어기존의전형적인복합재료가공방법에쉽게적용할수있다. 최근의한연구 [30] 에서는실험실에서만든 CNT 섬유를사용하여 25 부피분율이상까지전통적인방식으로복합재료를제조하였으며, 강도는이론적인예측치의 90% 에이른다는것을확인하고있다. 그러나복합재료의응용을위한연구는아직매우제한적이다 [24,30-32]. 그이유는대부분의연구가나노탄소섬유의구조와특성을최적화하는데초점이맞추어져있기때문이다. 그러는사이최근에는 CNT 섬유제조방법중 (3) 고분자 /CNT 혼합물의응고방사와 (4) 기체상직접방사법은그기술이상업화에근접하고있는것으로알려져있어, 향후 CNT 섬유고분자복합재료의연구를견인하는동력을제공할것으로기대된다. 4. 요약및결론 CNT와그래핀을복합재료의충전재로이용하는나노탄소고분자복합재료는기존의나노복합재료에서경험하였던분산성과가공성의문제로그함량이제한을받고있다. 매우낮은함량, 통상 5 wt% 이하일때강화효과는뛰

7 나노탄소고분자복합재료 153 어나지만절대적인함량이낮아결과적으로얻는복합재료의특성, 특히기계적특성은기존의고성능복합재료인탄소섬유강화복합재료에미치지못한다. 이러한한계를극복하기위한방법이기존의 FRP에추가적으로나노탄소를도입하여 FRP가가지고있는결점을보완하고, 나아가서는마이크론크기의나노탄소섬유를이용하여나노크기의어려움을해결하는방향으로나노탄소고분자복합재료기술이진보하고있다. 나노탄소충전복합재료의기계적인특성이비록기존의고성능복합재료에미치지는못하지만나노탄소가가지고있는고유특성인전기와열전도도의탁월성을이용하는분야에서는실용적이고의미있는기술발전이이루어지고있다. CNT나그래핀을이용하여전자파차폐용플라스틱, 정전분산플라스틱등을실용화하려는노력이최근상당한결실을맺고있다. 나노탄소충전 FRP 복합재료는층상복합재료의치명적인결점을보완하는새로운수단으로등장하여기존 FRP의용도확대가기대되고있다. 나노크기의난제를마이크론크기로해결한나노탄소섬유복합재료는향후실용적인기술발전이기대가되는분야이다. 현재는나노탄소섬유자체의제조기술이실험실단계에머물러있고, 제조기술의완성도가낮아이를이용하는복합재료연구개발이추진력을얻고있지못하다. 그러나수년이내에상업적인규모의생산이가능할것으로알려지고있어, 머지않아나노탄소섬유복합재료의기술발전이관련학계및산업계의지대한관심사가될것이다. 후 기 본연구는한국과학기술정보연구원의 ReSEAT 프로그램에서지원하는연구과제로수행된것이며, 지원에대해진심으로감사드립니다. 참고문헌 1. Ijima, S., Helical Microtubules of Graphitic Carbon, Nature, Vol. 354, No. 6348, 1991, pp Novoselov, K.S., Geim, A.K., Morozov, S.V., Jiang, D., Zhang, Y., Dubonos, S.V, Grigorieva, I.V., and Firsov, A.A., Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films, Science, Vol. 306, 2004, pp Vilatela, J.J., and Eder, D., Nanocarbon Composites and Hybrids in Sustainability: A Review, ChemSusChem, Vol. 5, 2012, pp Tasis, D., Tagmatarchis, N., Bianco, A., and Prato, M., Chemistry of Carbon Nanotubes, Chemical Reviews, Vol. 106, 2006, pp Jin, F.-L., and Park, S.-J., A Review of the Preparation and Properties of Carbon Nanotubes-reinforced Polymer Composites, Carbon Letters, Vol. 12, No. 2, 2011, pp Rahman, A., Ali, I., Al Zahrani, S.M., and Eleithy, R.H., A Review of the Application of Nanocarbon Polymer Composites, Nano, Vol. 6, No. 3, 2011, pp Huang, X., Qi, X., Boey, F., and Zhang H., Graphene-based Composites, Chemical Society Reviews, Vol. 41, 2012, pp Eder, D., Carbon Nanotube-inorganic Hybrids, Chemical Reviews, Vol. 110, 2010, pp Guo, P., Chen, X., Gao, X., Song, H., and Shen, H., Fabrication and Mechanical Properties of Well-dispersed Multiwalled Carbon Nanotubes/epoxy Composites, Composites Science and Technology, Vol. 67, 2007, pp Liu, L., Etika, K.C., Liao, K.S., Hess, L.A., Bergbreiter, D.E., and Grunlan, J.C., Comparison of Covalently and Noncovalently Fuctionalized Carbon Nanotubes in Epoxy, Macromolecular Rapid Communications, Vol. 30, 2009, pp Spitalsky, Z., Krontiras, C.A., Georga, S.N., and Galiotis, C., Effect of Oxidation Treatment of Multiwalled Carbon Nanotubes on the Mechanical and Electrical Properties of Their Epoxy Composites, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Vol. 40, 2009, pp Bai, J.B., and Allaoui, A., Effect of the Length and the Aggregate Size of MWNTs on the Improvement of the Mechanical and Electrical Properties of Nanocomposites-experimental Investigation, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Vol. 34, 2003, pp Yang, M., Gao, Y., Li, H., and Adronov, A., Fuctionalization of Multiwalled Carbon Nanotubes with Polyamide 6 by Anionic Ring-opening Polymerization, Carbon, Vol. 45, 2007, pp Gojny, F.H., Wichmann, M.H.G., Fiedler, B., and Schulte, K., Influence of Different Carbon Nanotubes on the Mechanical Properties of Epoxy Matrix Composites-a Comparative Study, Composites Science and Technology, Vol. 65, 2005, pp Hou, H., Ge, J.J., Zeng, J., Li, Q., Reneker, D.H., Greiner, A., and Cheng, S.Z.D., Electrospun PAN Nanofibers Containing a High Concentration of Well-aligned Multiwall Carbon Nanotubes, Chemistry of Materials, Vol. 17, 2005, pp Bin, Y., Kitanaka, M., Zhu, D., and Matsuo, M., Development of Highly Oriented Polyethylene Filled with Aligned Carbon Nanotubes by Gellation/Crystallization from Solution, Macromolecules, Vol. 36, 2003, pp Xu, X.X., Hong, W.J., Bai, H., Li, C., and Shi, G.Q., Strong and Ductile Poly(vinyl alcohol)/graphene Oxide Composite Films with a Layered Structure, Carbon, Vol. 47, 2009, pp Liang, J., Huang, Y., Zhang, L., Wang, Y., Ma, Y., Guo, T., and Chen, Y., Molecular-level Dispersion of Graphene into Poly(vinyl alcohol) and Effective Reinforcement of Their Nanocomposites, Advanced Functional Materials, Vol. 19, 2009, pp Cai, D., Yusop, K., and Song, M., The Mecnanical Properties and Morphology of a Graphite Oxide Nanoplatelet/Polyurethane Composite, Nanotechnology, Vol. 20, 2009,

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탄소연속섬유복합체 제조기술 본분석물은교육과학기술부과학기술진흥기금을지원받아작성되었습니다.

탄소연속섬유복합체 제조기술 본분석물은교육과학기술부과학기술진흥기금을지원받아작성되었습니다. 머리말 제 1 장서론 1 제 2 장기술의개요 5 제 3 장기술동향분석 42 - i - 제 4 장탄소복합섬유시장전망 88 - ii - 제 5 장결론 107 참고문헌 111 표목차 - iii - 그림목차 - iv - - v - 1 서론 2 출처 : 한국섬유산업연합회, 최신섬유기술동향,