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[사이언스] 플라스틱만큼 가볍고 금속보다 꼬임에 강한 탄소섬유 개발

배향도가 높은 복합구조를 가진 그래핀 탄성 섬유

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특허뉴스 박진석 기자
기사입력 2021/01/20 [23:00]

▲ 그래핀 탄성 섬유와 기존 물질들의 밀도, 전단 강도 비교 / 기존의 그래핀 섬유보다 그래핀 탄성 섬유는 매우 향상된 전단 강도 (53 → 914 MPa) 를 가진다. 그래핀 탄성 섬유는 고분자만큼 가벼우면서, 금속보다 강한 전단 강도를 가진다. 무게별 강도 비율 지표(대각 방향 점선,MPa1/2 cm3 g-1)는 대표적 슈퍼섬유인 탄소 섬유와 비슷한 수준을 달성하여, 가볍고 강한 소재임을 증명하고 있다. 출처 : 한양대학교 한태희 교수  © 특허뉴스

 

금속보다 인장강도가 강한 슈퍼섬유들은 첨단산업 소재로 주목받고 있다. 관련해서 기존에 없던 물성을 얻기 위한 나노 소재의 섬유화 연구가 많이 진행되어 왔다.

측정과 해석의 용이성 때문에 대부분 인장특성을 강화하는데 초점을 둔 연구가 많이 이뤄졌다.

 

한국연구재단은 한양대학교 한태희 교수 연구팀과 단국대학교 이원준 교수 연구팀이 비틀림 특성이 우수한 그래핀 탄성 섬유를 개발했다고 20일 밝혔다.

 

연구팀은 비틀림 특성이 우수한 그래핀 탄성 섬유를 개발했다.

그래핀 입자들이 강한 인력으로 결합되어 있으면서 동시에 높은 배향도를 가지도록 막대형태의 탄소나노튜브로 시트형태의 그래핀을 튼튼하게 연결하고 섬유를 연신하여 높은 배향도를 가진 섬유를 제조했다.

 

이렇게 얻은 섬유는 금속보다 8, 고분자보다는 300배 강한 강도를 나타냈다. 무게별 강도 비율(단위: MPa1/2 cm3 g-1)19로 슈퍼섬유인 탄소섬유보다 더 가볍고 강한 것으로 나타났다.

탄소 섬유는 비틀림보다 당기는 힘에 매우 잘 견디는 반면, 그래핀 섬유는 비틀림을 더 잘 견디는 매우 이례적인 성질을 보였다.

 

한편 최근 고강도 나노 물질 섬유의 비틀림 특성이 센서 및 액추에이터에서 특별한 가능성을 갖고 있다는 것이 알려지면서 비틀림 강도와 탄성에 대한 중요성이 높아졌다.

예를 들어 꼬임(비틀림)을 가진 CNT 섬유는 빛 또는 열에 반응하는 우수한 액추에이터 특성을 보이면서 사람의 근섬유보다 더 강력한 인공근육 제조에 대한 가능성을 제시했다.

 

그러나 비틀림 특성의 높은 잠재력과 응용가치에도 불구하고, 나노 조립 섬유의 비틀림은 인장에 비해 실험난이도가 높고 해석이 복잡하여 나노 물질 기반재료에서는 거의 연구되지 않고 있다.

따라서 비틀림 강도와 탄성이 높은 나노 섬유에 대한 연구는 여전히 미해결 과제로 남아 있었다.

 

▲ 그래핀 탄성 섬유와 기존 물질들의 인장, 전단 강도 비교 / 재료역학에 따라, 그림과 같이 대다수의 금속과 고분자 물질의 전단강도는 인장강도의 0.67배인 경향을 가진다. 탄소 섬유와 탄소 섬유 복합체가 인장강도가 전단강도보다 매우 강한 것에 비해, 그래핀 탄성 섬유는 이례적으로 인장강도보다 전단 강도가 강한 특성을 보인다. 출처 : 한양대학교 한태희 교수  © 특허뉴스


연구팀은 이번에 폭넓게 제시한 나노조립 섬유의 비틀림 강도 측정 방법과 탄성 측정방법이 나노물질 조립체의 강도 특성 연구에 폭넓게 응용될 것으로 기대하고 있다.

우수한 비틀림 특성이 요구되는 인공근육이나 센서 등은 물론 높은 전단강도를 필요로 하는 자동차, 항공, 기계, 건축 재료 등의 강도향상을 위한 연구에도 기여할 것으로 기대된다.

 

이번 연구의 성과는 115일 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재되었다.

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탄소섬유,인장강도,그래핀,CNT섬유,나노조립섬유, 관련기사

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