부산대, 437℃ 견디는 초고내열 탄소복합재 개발

CNT 1.5wt%서 열안정성 최고
전기전도도 12배·열전도 85%↑
VANCI 공정으로 공극률 0.8%

부산대 성동기 교수팀이 개발한 CNT 나노네트워크 기반 고내열 탄소섬유 강화복합재료의 제조 과정과 활용 분야를 나타낸 개념도. (자료=부산대학교 제공)

부산대학교 연구팀이 탄소섬유 복합재를 더 높은 온도에서 안정적으로 사용할 수 있는 제조 기술을 개발했다. 탄소나노튜브(CNT)와 폴리이미드(PI)를 탄소섬유 내부에 함께 침투시키는 방식으로 유리전이온도를 437℃까지 끌어올렸다.

응용화학공학부 성동기 교수 연구팀은 고점도 고분자 수지의 함침 문제와 CNT 나노네트워크 형성을 동시에 해결하는 '진공 보조 나노 네트워크 동시 함침(VANCI) 공정'을 제안했다고 7일 밝혔다.

탄소섬유 강화복합재료(CFRP)는 가볍고 강도가 높아 항공기와 우주 구조물, 자동차 등에 쓰인다. 그러나 내부의 고분자 수지는 온도가 올라가면 분자 사슬 움직임이 커져 부드러워지고 강성이 떨어진다. 이에 따라 실제 사용 온도는 탄소섬유 자체보다 수지의 내열성에 크게 좌우된다.

연구팀이 사용한 폴리이미드는 에폭시보다 열적 안정성이 높지만 점도가 높아 탄소섬유 다발 안쪽까지 고르게 스며들기 어렵다. CNT를 촘촘하게 넣을수록 수지가 지나갈 공간도 좁아져 미함침과 공극이 생길 가능성이 커진다.

연구팀은 이 문제를 별도 공정으로 나누지 않고 CNT와 분말형 PI를 각각 용매에 분산시킨 뒤 하나의 혼합 용액으로 만들어 탄소섬유 직물에 동시에 침투시켰다. 진공 여과 과정의 압력 차를 이용해 CNT와 PI가 섬유 내부까지 이동하도록 한 뒤 용매 제거와 고온 압축성형을 거쳐 복합재를 완성했다.

최적 조건에서 만들어진 CNT 네트워크의 평균 기공 직경은 약 49nm였다. 기존 압축성형 PI-CFRP의 내부 공극률은 약 6.8%였지만 VANCI 공정을 적용한 복합재는 약 0.8%로 낮아졌다. 공극이 약 88% 줄어든 셈이다.

CNT 함량은 1.5wt%일 때 가장 균일하고 연속적인 네트워크를 만들었다. 이 구조가 PI 고분자 사슬의 움직임을 제한하는 '나노구속효과'를 높여 고온 안정성을 끌어올렸다는 게 연구팀 설명이다.

CNT를 넣지 않은 복합재의 유리전이온도는 395.6℃였지만 1.5wt%를 넣자 437.0℃로 상승했다. 재료 무게가 5% 줄어드는 온도도 562.1℃에서 579.9℃로 높아졌다.

반면 CNT 함량을 2.0wt%까지 늘리면 입자가 뭉치면서 내부 연결망이 고르지 못해지고 열적 성능도 떨어졌다. 단순히 투입량을 늘리기보다 균일한 네트워크를 형성하는 것이 중요하다는 결과다.

전기·열 전달 특성도 개선됐다. 1.5wt% 조건에서 전기전도도는 0.85S/m로 CNT를 넣지 않았을 때보다 12배 이상 증가했고, 열전도도는 0.33W/mK에서 0.61W/mK로 약 85% 높아졌다. 평균 마찰계수는 0.36에서 0.27로 낮아졌고 마모율은 약 51% 감소했다.

연구팀은 새로운 수지를 개발하는 대신 기존 고내열 수지와 CNT의 구조적 결합을 이용해 고분자 사슬의 열적 움직임을 억제하는 제조 전략을 제시했다. 향후 항공기 가스터빈과 엔진 주변 구조재, 우주발사체·위성, 열차폐 구조물 등에 적용 가능성을 검토할 수 있다.

CNT의 전기·열전도 특성을 활용하면 항공기 제빙과 정전기 방전, 전자기파 차폐, 열관리 기능을 갖춘 복합재 개발에도 활용 여지가 있다는 게 연구진 설명이다.

성동기 교수는 폴리이미드의 점도를 용매로 낮춘 뒤 CNT 나노네트워크 내부에 함께 배치함으로써 고온 안정성을 높이는 원스톱 공정을 구현했다며 우주항공·방산 분야의 초고온 복합재 제조 공정으로 발전할 가능성이 있다고 설명했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 재원으로 한국연구재단 나노 및 소재기술개발사업 지원을 받아 수행됐다. 성 교수는 교신저자, 김송희 석사과정생과 김다영 석박사통합과정생은 공동 제1저자로 참여했다. 신주은 석사과정생은 공동저자, 한국재료연구원 오영석 박사는 공동연구자로 이름을 올렸다.

연구 성과는 복합재료 분야 국제학술지 '어드밴스트 컴포지츠 앤드 하이브리드 머티리얼즈(Advanced Composites and Hybrid Materials)' 7월 23일자에 온라인 게재됐다.

부산=김성욱 기자