CSIRO, 차세대 탄소섬유 개발… 강도 20% 향상·비용 절감 목표

호주 연방과학산업연구기구(CSIRO)가 탄소섬유 생산 초기 단계인 아크릴로니트릴 중합→폴리아크릴로니트릴(PAN) 합성→방사·후처리를 통한 고품질 저가 전구체 섬유 생산에 주력하고 있다. PAN 생산이 탄소섬유 원가의 50%지만 물성 70~90% 결정. 디킨 대학(Deakin University)은 산화·탄화 등 최종 단계 기술 보유, 레몬드 컴포지츠(LeMond Composites, 미국 테네시주 오크리지)에 급속 산화 기술 라이선싱으로 후공정 비용 절감 추구.

CSIRO 전략적 도구 3가지

1. RAFT 중합(Reversible Addition-Fragmentation chain Transfer)

조절된 자유라디칼 중합으로 폴리머 조성·구조 정밀 제어. 기존 중합은 넓은 분자량 분포(폴리머 체인 길이 다양)이나 RAFT 에이전트 첨가로 균일 체인 길이·좁은 분자량 분포 구현. 동일 개시제·단량체·용매 사용하며 RAFT만 추가.

• 분자량은 방사 용액 점도 영향 → 고분자량은 전구체 섬유 홈 표면 유발. RAFT로 점도 낮춰 고형분 로딩 증가
• 초고분자량 폴리머 제거로 섬유 내 분자 배향 개선·물성 향상
• 저분자량은 가소화 효과 → RAFT로 더 조밀·균일 전구체 섬유, 구조 결함 감소, 탄화 속도 향상·비용 절감 기대
• 복잡한 폴리머 구조 접근 가능 → 도프 용액 응고 조건 최적화, 기존 첨가제 감소·고형분 섬유 전환율 증대로 결함 감소
• 중합 중 기능성 부여 가능 → CO₂ 흡착 복합재 등 다기능 복합재 소재로 확장 가능성

2. 연속 FLOW 공정

배치 반응기→연속 공정 전환. 배치 반응기는 검증됐으나 대용량·고비용, 공간·에너지 비효율. 연속 공정 반응기는 소형·저비용, 스케일업 용이, 에너지 효율↑, 공정 제어·재현성 우수. 단, 전용 라인으로 파라미터·제품 전환 유연성 낮음.

• 안전성·지속가능성 향상: 독성·악취·인화성 반응제 자동 장비로 격리 처리
• 탄소섬유 본질적 변동성 감소로 물성 향상 기대

3. 카본스펙(CarbonSpec) – 측정 기반 관리

자체 개발 메트롤로지. 생산 섬유 시험·물성-소재 관계 이해, 최소 PAN·탄소섬유 측정으로 탄소섬유 물성 예측. 호주 싱크로트론 X선 CT 활용 전용 특성화 프로토콜 개발로 개별 PAN 전구체·탄소섬유(직경 5µm) 미세구조 매핑 분단위 완료. SAXS/WAXS 동시 신호로 PAN 도프→탄소섬유 전 공정 기계적 강도·강성 모니터·최적화.

• 횡탄성률·강도 측정 신규 방법 개발, 축압축 강도 측정에도 적용 가능(단일 섬유 직경 5~10µm로 버클링 없이 진정한 축압축 응력 가하기 어려웠던 과제 해결)

목표: 항공우주급 탄소섬유 강도 20% 향상

애봇 박사: "폴리머→섬유 변환 이해도 향상, 상용 섬유 생산 단계 진입. SIROPAN(CSIRO판 RAFT PAN) 킬로그램 단위 생산 중. RAFT 폴리머 이점 평가 다음 단계. 10% 강도 향상으론 전구체 교체 경제성 부족, 업계 기준 최소 20% 필요."

향후 로드맵

• RAFT로 신규 전구체 폴리머 개발(고품질·상이 물성)
• 상업 경쟁력 폴리머 공정 개발(FLOW)
• 폴리머→섬유 변환 이해로 저비용·고물성 구현(습식 방사)
• 전구체 물성이 탄소섬유 물성에 미치는 영향 파악, 예측·최적화(카본스펙)
• 최종 용도 맞춤형 탄소섬유 생산(PAN 및 탄화 섬유 엔지니어링)

"탄소섬유 산업 연 10% 성장 중. 품질·성능·비용·지속가능성 개선 관심 있는 기존·신규 업계 파트너와 협력 희망." – 애봇 박사

스키드모어: "6가지 전구체 포뮬레이션 테스트 중, 카본 넥서스에서 탄화 예정. 연말 결과 기대." 애봇: "연말 강한 결과 원하지만 장기전 관점."

본 연구는 과학산업기금(Science and Industry Endowment Fund) 지원.