탄성률 높인 우주발사체용 차세대 탄소섬유 개발

KIST 연구진

구본철(왼쪽) 한국과학기술연구원(KIST) 탄소융합소재연구센터 책임연구원과 채한기 울산과학기술원(UNIST) 교수. KIST 제공

국내 연구팀이 우주발사체 등에 쓰일 수 있는 차세대 탄소섬유를 개발했다. 기존 상용 탄소섬유와 동일한 강도를 가지면서도 탄성률이 약 1.6배 높다. 현존하는 탄소섬유의 물성 한계를 극복했다는 평가다.

한국과학기술연구원(KIST)은 구본철 탄소융합소재연구센터 책임연구원과 채한기 울산과학기술원(UNIST) 교수 공동 연구팀이 이같은 연구결과를 국제학술지 ‘컴포지트 파트 비: 엔지니어링’ 12월호에 공개했다고 14일 밝혔다.

탄소섬유는 실 안에 탄소가 92% 이상 들어있는 섬유다. 철에 비해 무게가 4분의 1에 불과하지만 강도는 약 10배에 달한다. 전도성이나 내부식성 등이 높아 주목받는 소재다. 보통 탄소섬유는 고분자인 폴리아크릴로니트릴 (PAN) 기반의 고강도 섬유 또는 석유 잔사유인 피치를 이용한 고탄성 섬유로 제조한다. 

최근 강철보다 100배 이상 강한 강도를 가지면서 무게는 4분의 1 이하로 가볍고 구리 수준의 높은 전기전도도를 가진 신소재인 ‘탄소나노튜브’로 탄소섬유를 만드는 시도도 이어지고 있다. 이론적으로 기존 탄소섬유의 성능을 능가할 수 있기 때문이다. 하지만 탄소나노튜브를 섬유화했을 때 물성이 그대로 유지되지 않고 탄소나노튜브의 가격도 매우 높아 상용화에 어려움을 겪고 있다.

연구팀은 6.2기가파스칼(GPa)의 강도를 유지하면서도 528GPa 수준의 탄성률을 가지는 탄소섬유를 개발했다. 기존 탄소섬유와 동일한 강도이지만 훨씬 더 높은 탄성률을 보인다. 

또 탄소나노튜브를 저가의 폴리이미드로 최대 50%까지 대체했다. 성능은 유지하면서 가격은 크게 낮출 수 있는 기반을 마련한 것이다. 연구팀은 “가격 경쟁력을 높이는 것과 동시에 초고강도와 탄성률을 유지하는 섬유를 제작했다”고 밝혔다.

연구팀은 대량생산 체계를 갖춘다는 계획이다. 구 책임연구원은 “대량 생산 체계를 구축하면 가격은 더욱 떨어질 것”이라며 “탄소나노튜브 기반 고성능 탄소섬유를 항공우주나 국방, 미래 모빌리티 산업 등에 저렴한 가격으로 공급하겠다”고 밝혔다. 
 

[고재원 기자 jawon1212@donga.com]