KOSEN 한인과학기술자네트워크

 전남대학교 고분자융합소재공학부에 소속된 탄소재료연구실은 1989년 양갑승 교수의 부임으로부터 설립된 연구실입니다. 탄소재료를 기반으로 에너지 생산/저장, 저가 탄소섬유의 제조, 환경정화 재료의 개발 등의 연구를 수행하고 있습니다. 특별히 이 연구실에서는 전기 방사의 양산개발 (2002년), 석유계 잔사를 이용한 탄소섬유용 프리커서 피치의 파이럿 스케일 개발 (2002년)등 기업과 협력 연구를 통해서 산업발전에 기여한 연구 성과를 보유하고 있습니다. 또한 최근 국내외적으로 관심이 집중되어있는 그래핀 (Graphane), 탄소 나노튜브(Carbon nano-tube, CNT)에 대한 연구가 활발히 진행 중입니다. 현재 GRL, BK+등의 국가 과제와 산학협력 과제를 수행하고 있으며 1명의 박사 후 연구원, 5명의 박사과정, 5명의 석사과정 학생들이 구성원이 되어 주어진 연구에 열중하고 있습니다. 졸업생들은 25년 간 누적되어 온 탄소재료에 대한 연구 환경과 역량을 바탕으로 사회에 진출하여 학문과 산업발전에 활발하게 기여하고 있습니다.
특별히 Alan MacDiarmid Energy Research Institute (AMERI)가 중심이 되어 2000년 노벨 화학상의 수상자이신 Alan G. MacDiarmid 교수의 유훈을 실천하기 위해 젊은 과학자들의 국제교류를 활성화를 프로그램의 운영에 집중 투자하고 있습니다.

 전기방사는 고분자 용액이나 용융물에 고전압을 가해 액적 형태에서 스프레이 형태로 변화는 과정 중 용매가 휘발하면서 집접판에 섬유상 물질이 형성되는 방법입니다. 나노섬유 제조를 위한 다양한 기술 중 전기방사는 쉽고 편리하며 다양한 물질을 혼합하여 방사를 할 수 있고 이미 양산화공정 (400kg/day, line). 본 연구실에서는 전기방사를 이용하여 나노섬유를 제조한후 안정화, 탄화, 활성화 등의 공정을 통해서 탄소나노섬유를 제조하고 있습니다. 제조된 탄소나노섬유는 나노사이즈임과 동시에 넓은 비표면적의 특성을 나타내며 또한, 전통적인 탄소섬유와 비교해서 짧은 깊이의 세공을 갖는 특징을 갖게 됩니다. 이러한 특성을 이용하여 많은 이온이나 전하를 전극표면에 흡착시켜 전기용량이 큰 고성능 에너지 저장용 전극으로 사용이 가능하고, 촉매지지체, 흡착재, 보강재료, 정화필터, 정밀센서 등에 적용이 가능합니다.

 본 연구실은 전기방사로 제조된 탄소나노섬유를 원료물질의 변화, 첨가물의 첨가, 활성화 방법의 변화 등을 통해 기공의 크기를 제어하고 이를 규명하여 슈퍼캐패시터, 리튬이차전지, 촉매지지체 등의 에너지 분야에 적용한 연구를 수행하고 있습니다. 또한 탄소나노섬유의 기계적 강도와 밀도를 높여 고강도 나노탄소섬유의 양산화 공정에 적용하기 위한 연구 또한 진행하고 있습니다.

 핏치란 석유 잔사유 또는 석탄 타르 등을 후처리 하여 제조한 물질로 핏치계 탄소섬유는 원료에 따라 석탄계(Coal tar based)와 석유계(Petroleum based)로 구분이 됩니다. 특히 핏치계 탄소섬유는 방사되는 핏치의 결정 상태에 따라 이방성 (mesophase) 핏치계와 등방성(isotropic) 핏치계로 분류하며, 이방성 핏치는 구성성분이 액정상태로 배향되어 편광현미경에 광학적 이방성을 보이고 등방성 핏치는 구성분자가 랜덤하게 배향되어 광학적 등방성을 나타냅니다.
 등방성 핏치계 탄소섬유는 기계적 물성은 낮으나 탄소가 가지고 있는 우수한 내열성, 내산화특성, 내약품성, 내부식성, 내마모성 등이 요구되는 재료로 사용되며, 이방성 핏치계 탄소섬유는 고탄성률, 고전도성, 음의 열팽창계수의 특성을 가지고 있어, 이러한 특성을 필요로 하는 응용분야에 사용되고 있습니다.

 이러한 내용을 바탕으로 탄소재료실험실에서는 석유 잔사유를 원료로 다양한 방법을 이용하여 등방성 및 이방성 탄소섬유 프리커서 제조에 대한 연구를 하고 있으며, 이를 이용한 탄소섬유 개발에 관한 연구를 수행하고 있습니다.

 탄소섬유는 고강도/고탄성 첨단 소재이면서 경량화를 선도하는 재료입니다. 현재는 우주항공, 스포츠, 자동차, 건설분야등 다양한 산업분야의 구조재 소재로서 사용되고 있습니다.
 최근 자동차 산업은 친환경적, 저에너지 소비형 미래 자동차의 개발이 강력히 요구되고 있습니다. 그러나 현재의 탄소섬유의 가격은 이러한 용도에 사용하기에는 너무 고가이므로 자동차 산업에 광범위하게 사용되기 위해서는 현재 탄소섬유의 가격을 1/2수준으로 낮추어야 한다는 것이 정론입니다.

 상용화 되어있는 PAN계 탄소섬유의 경우 탄소섬유의 가격 중 프리커서의 가격이 약 50%를 차지합니다. 이 연구는 가격의 비중이 큰 PAN을 저가의 재료로 대체함으로써 탄소섬유의 가격을 낮추고자 하는 연구입니다.
리그닌은 펄프와 종이 산업의 부산물로 생산되기 때문에 원래 가격이 매우 저렴하고, 유가 변동에 민감하지 않으므로, 저가화 탄소섬유의 전구체로 매우 유망한 재료입니다. 또한 납사분해공정(NCC) 부산물로 나오는 잔사(PFO)는 방향족화도가 높고 황과 같은 불순물이 적어 고강도탄소 섬유와 같은 고부가 탄소재료에 적합한 원료로 알려져 있으며, 저가이면서도 탄화수율이 높아 탄소재료의 저가화 원료로 합당한 것으로 유추됩니다.

 본 연구에서는 리그닌과 PFO를 일정비율로 혼합하고, 프리커서를 이용하여 용액방사보다 공정비용이 낮은 용융방사법에 의해 섬유를 제조하는 것입니다. 용매회수가 필요 없고 방사속도가 매우 높기 때문에 저가화가 가능한 공정입니다.