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강도 50% 높인 탄소섬유 개발

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강도 50% 높인 탄소섬유 개발

2016.05.11 18:00
KIST 제공
KIST 제공
항공기나 자동차의 소재로 사용되는 탄소섬유의 강도를 50% 이상 끌어올 릴 수 있는 원천기술을 국내 연구진이 개발했다.

 

이성호 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원 복합소재기술연구소 책임연구원(사진) 팀은 전북대, 일본 신슈대 등과 공동으로 고강도 탄소섬유 제조 기술을 개발했다고 11일 밝혔다.

 

탄소 함유량이 90% 이상인 탄소섬유는 가벼우면서도 강도가 높아 구조용 복합소재의 강화 재료로 각광받고 있다. 탄소섬유는 제조과정에서 가스를 방출하며 내부에 기공을 만든다.

 

마이크로미터(㎛) 수준인 이 기공은 탄소섬유의 성능을 떨어뜨리는 요인이 돼 물리적으로 나노미터(nm) 급으로 바꿔 물성을 높이려는 연구가 진행돼왔다.

 

연구진이 제안한 탄소섬유의 모식도. 탄소 층과 층 사이에 질소원자나 탄소원자가 위치하면 강도가 높아짐을 증명했다. - KIST 제공
연구진이 제안한 탄소섬유의 모식도. 탄소 층과 층 사이에 질소원자나 탄소원자가 위치하면 강도가 높아진다는 사실이 입증됐다. - 한국과학기술연구원(KIST)  제공

연구팀은 전산 모사를 통해 화학 원소의 함량을 바꾸는 화학적 처리를 통해서 탄소섬유의 강도를 변화시킬 수 있음을 세계 최초로 증명했다. 열처리 최종 온도에 따라 탄소섬유 내 질소 원소의 결합형태가 달라지는데, 질소 원소의 함량이 높아질수록 소재의 강도가 높아진다는 것이다.

 

또 탄소 원자의 화학구조가 탄소를 중심으로 4개의 원소가 달린 형태(SP³)일 때에도 강도가 높아졌다. 연구진이 제시한 모델로 탄소섬유를 제작하면 기존 대비 강도를 50%이상 높일 수 있다.

 

이 연구원은 “기존 물리적인 구조 제어 연구와 함께 화학적 구조를 조절하면 기계적 강도를 극대화할 수 있을 것으로 보인다”며 “향후 다양한 산업분야로 확대가 가능할 것”이라고 말했다.

 

연구결과는 학술지 ‘네이처’의 자매지인 ‘사이언티픽 리포츠(Scientific Reports)’ 3월 23일자에 실렸다.

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