폴리이미드·탄소나노튜브 동시 함침 ‘VANCI 공정’ 개발
전기전도도 12배·열전도도 85% 향상…우주항공·방산 적용 기대

초고온에서 가볍고 강한 탄소섬유 복합재료를 안정적으로 사용할 수 있는 새로운 제조기술이 개발됐다.

부산대 응용화학공학부 성동기 교수 연구팀은 탄소섬유 강화복합재료(CFRP)의 유리전이온도를 437도까지 높일 수 있는 ‘진공 보조 나노네트워크 동시 함침(VANCI)’ 공정​을 개발했다고 7일 밝혔다.

연구 이미지.

CFRP는 항공기와 우주 구조물, 자동차 등 경량화가 중요한 분야에서 널리 활용되지만, 탄소섬유를 결합하는 고분자 수지가 고온에서 연화되면서 사용 온도에 한계가 있었다. 연구팀은 고내열성 폴리이미드(PI) 수지와 탄소나노튜브(CNT)를 하나의 혼합 용액으로 만든 뒤 진공 여과 방식으로 탄소섬유 내부에 동시에 침투시키는 공정을 개발했다. CNT가 나노네트워크를 형성하고 PI 수지가 그 내부로 함께 침투하도록 해 기존 고점도 수지의 함침 문제를 해결했다.

그 결과 기존 방식의 PI-CFRP에서 약 6.8%였던 내부 공극률을 0.8%까지 낮췄다. 특히 CNT 함량 1.5wt%(무게 기준 백분율) 조건에서는 CNT가 고분자 사슬의 움직임을 억제하는 ‘나노구속효과’가 나타나면서 유리전이온도가 395.6℃에서 437.0℃로 높아졌다. 5% 중량감소 온도도 562.1도에서 579.9도로 상승했다. 전기·열적 특성도 개선됐다. 전기전도도는 0.85S/m로 12배 이상 높아졌고, 열전도도는 0.33W/mK에서 0.61W/mK로 약 85% 향상됐다. 마모율도 약 51% 감소했다.

성동기 교수(왼쪽부터), 김송희 석사과정생, 김다영(석박사통합과정생), 신주은(석사과정생). 부산대 제공

연구팀은 이 기술이 항공기 엔진·가스터빈 주변 구조재와 우주발사체·위성 구조물, 열차폐 구조물 등에 활용될 것으로 기대하고 있다. CNT의 전기·열전도 특성을 활용하면 항공기 제빙과 정전기 방전, 전자기파 차폐, 열관리 등을 수행하는 다기능 복합재로도 활용할 수 있을 전망이다.

성동기 교수는 “내열성이 우수하지만 가공이 어려운 폴리이미드를 CNT 나노네트워크 내부에 구속시켜 고온 안정성을 극대화하는 원스톱 공정을 개발했다”며 “우주항공·방산 분야에서 요구되는 초고온 복합재료를 효율적으로 제조할 수 있는 핵심 공정으로 발전할 것으로 기대한다”고 말했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행한 이번 연구는 성동기 교수가 교신저자, 김송희 석사과정생과 김다영 석박사통합과정생이 ​공동 제1저자로 수행했다. 신주은 석사과정생과 한국재료연구원 오영석 박사가 각각 공동저자와 공동연구자로 참여했고, 결과는 국제학술지 ‘어드밴스트 컴포지츠 앤드 하이브리드 머티리얼즈’​에 지난 7월 23일 온라인 게재됐다.