그래핀 첨가 탄소섬유, 더 강하고 비용 효율적인 복합재 새 길 열다

그래핀 카운슬 발표에 따르면, 오크리지 국립연구소(ORNL), 버지니아대(UVA), 펜실베이니아주립대(Penn State) 연구진이 Science Advances 2020년 4월호에 순수 그래핀을 폴리아크릴로니트릴(PAN) 용액 첨가제로 사용해 탄소섬유 전구체 섬유 물성 조정한 연구 게재. 이전 탄소나노튜브(CNT), 그래핀 산화물(GO) 액정 연구 기반.

배경: CNT 및 GO 연구

• CNT 첨가로 PAN 방사 도프·응고 파라미터 최적화, 폴리머 사슬 정렬·배향 템플릿 및 폴리머 결정화 핵제 역할
• 차에(Chae) 등 연구: 1.0wt% CNT 첨가로 탄소섬유 탄성률 49%, 강도 64% 증가 보고
• CNT로 탄화 온도 저감→에너지 소비 대폭 절감 가능
• 단층 2D 탄소 동소체 그래핀: CNT 대비 더 큰 표면적, 우수한 전자 이동도, 높은 인장강도·영률 보유
• GO 액정 사용 시 배향·결정성 불량으로 인장강도 저조

순수 그래핀 첨가 효과

순수 그래핀이 PAN 기반 탄소섬유에 더 나은 첨가제일 수 있다는 가설하에, 전단 박리 순수 그래핀 0.01~1.0wt%를 PAN/디메틸설폭사이드(PAN/DMSO) 용액에 첨가해 PAN 방사 도프 물성 미세 조정.

• 0.075wt% 그래핀 첨가 PAN/그래핀 탄소섬유: 인장강도 1,916MPa, 영률 233GPa → 순수 PAN 탄소섬유 대비 강도 225%, 탄성률 184% 증가
• 대분자 동역학 시뮬레이션: 그래핀 첨가로 유리한 에지 케미스트리 유도, 탄소 함량 증진, 폴리머 사슬 배향 촉진, 결정성 증가 확인

의의 및 전망

저자들에 따르면 이 결과는 PAN 기반 탄소섬유 생산 이해 확장뿐 아니라, 그래핀으로 강화된 저가 대체 전구체 섬유 개발 기초 마련. 기존 PAN 제품 대비 우수한 성능·저비용 탄소섬유 탄생 가능성 제시.