탄소섬유에 대해서 들어본 적 있나요? 탄소섬유(carbon fiber)는 수많은 탄소 원자가 결정 구조를 이루어 길게 늘어선 분자 사슬로 이루어진 섬유입니다. 섬유의 직경이 10마이크로미터 내외로 극히 가늘지만 인장강도와 강성도가 매우 높으며, 고온과 화학물질에 대한 내성이 우수할 뿐만 아니라 열팽창 또한 적기 때문에. 항공기, 자동차, 각종 스포츠 등에 널리 사용되는 재료입니다. 가벼운 무게에 비해 강한 강도를 가지는 재료이기 때문에 각광 받고 있는 물질입니다. 그러나 이러한 탄소섬유의 제작에 있어서 꽤 많은 비용이 들어간다는 단점을 가지고 있습니다.
기본적으로 탄소섬유를 제작하기 위해서는 다음과 같은 방법을 통해서 제작됩니다. 공업적으로는 대개 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN)이라는 탄소-질소 화합물을 가열해서 제작하는 방법이 이용됩니다. PAN을 섭씨 300도로 가열하면 시안기가 서로 결합하며 고리 형태를 이루게 됩니다.
이것을 비활성 기체 안에 넣고 섭씨 700도로 더 가열하면 고리의 탄소 원자에 붙어있던 수소가 사라지며, 방향족 피리딘 그룹으로 이루어진 고리가 형성됩니다. 이것을 탄소 필라멘트라 부르며 탄소섬유의 기본 단위입니다.
허나 필라멘트는 가닥이 하나하나 떨어져 있고 너무나 가늘기 때문에, 섭씨 400~600도 정도로 서서히 가열하여 탄소 필라멘트가 서로 결합을 하도록 만듭니다.
이러한 탄소섬유 제작과정에서 많은 비용이 필요한 이유는 바로 불활성 기체/무산소 제조 설비를 갖춰야 하기 때문입니다.그러나 이러한 탄소섬유를 적은 비용을 이용하여, 많은 양을 생산할 수 있도록, 즉 탄소섬유의 실용적인 생산 공정에 대한 연구에 대해 이야기 해보려고 합니다.
실용적인 생산방식의 핵심은 각각의 그래핀 사이에 접착력이 있는 물질을 이용해, 부착하는데 핵심이 있습니다. 이때 사용되는 접착물질은 홍합에서 나온 생체 접착 물질을 사용하게 됩니다. 홍합은 물 속에서 자신의 몸을 바위에 부착시키는 ‘폴리도파민’이라는 물질을 이용하는데, 이를 그래핀들 끼리 부착에 이용하는 것입니다. 또한 이를 이용한다면 원래 방식으로 제작된 그래핀과 탄소섬유보다 강력하고, 전기전도성이 높은 신소재 물질을 개발 할 수 있다는 사실을 알아내었습니다. 그렇다면 이러한 그래핀을 통해서 어떻게 탄소섬유를 제작할 수 있을까요?
연구진은 그래핀을 액체에 분사했을 때 액정을 이루는 새루운 현상을 밝혀냈습니다. 액정은 고체의 결정성과 액체의 유동성을 가지는데, 이러한 그래핀 액정을 통해서 탄소섬유를 생산하는 방법을 개발하였으나, 생산과정에서 그래핀을 붙이는 과정을 진행 시 그래핀이 접히고, 이로 인해서 그래핀 사이에 공간이 발생하는 결함이 존재하였습니다.
이러한 공극은 탄소섬유의 장점인 전기전도도와 강도를 저해 시킨다는 큰 단점을 가지고 있습니다.(자료 이미지에서 가장 왼쪽 사진이 이에 해당함. 공극이 확연하게 보임.) 그러나 이러한 단점을 홍합의 접착 물질에서 영감을 얻어 고분자인 폴리 도파민을 이용해 그래핀의 접착을 더 원활하게 만들 수 있었습니다. 이러한 도파민의 가장 큰 장점은 도파민에 열을 가하면, 그래핀과 비슷한 구조를 가지기 때문에, 접착제로 이용하기에 매우 적합합니다. 또한 이러한 폴리 도파민의 접착제를 이용하면 단점을 보완할 뿐만 아니라, 기존의 탄소섬유보다 전기전도도가 향상되는 부가적인 효과도 얻을 수 있었습니다.
분야: 분자화학
작성자: 김범준(17-021)
Reference: 동아사이언스 http://dongascience.donga.com/news.php?idx=24497Molecular
Ordering: Selectivity of Threefold Symmetry in Epitaxial Alignment of Liquid Crystal Molecules on Macroscale Single‐Crystal Graphene (Adv. Mater. 40/2018) Advanced Materials Volume 3o Issue 40 Ocober 4, 2018