- 고내열 고분자와 탄소나노튜브 네트워크를 탄소섬유에 동시 도입한 ‘VANCI 공정’ 개발
- CNT ‘나노감옥’이 고분자 움직임 억제해 고온 안정성 확보…전기전도도 12배·열전도도 85% 향상

VANCI 공정을 이용한 CNT 나노네트워크 기반 고내열 탄소섬유복합재료 제조 및 응용 개념도

가볍고 강한 탄소섬유 복합재를 고온에서도 안정적으로 사용할 수 있는 새로운 제조 기술이 개발됐다. 부산대학교 연구팀이 폴리이미드 수지와 탄소나노튜브를 탄소섬유 내부에 한 번에 침투시키는 공정으로, 437℃까지 견디는 초고내열성과 우수한 기계적·전기적·열적 특성을 갖춘 하이브리드 탄소복합재 구현에 성공했다.

부산대학교(총장 최재원) 응용화학공학부 성동기 교수 연구팀은 초고온 환경에서 사용할 수 있는 탄소섬유 강화복합재료(CFRP) 제조 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

연구팀은 고점도 고분자 수지의 함침 문제를 해결하고, 탄소나노튜브(CNT) 기반 나노네트워크를 복합재 내부에 균일하게 형성할 수 있는 ‘진공 보조 나노 네트워크 동시 함침(Vacuum-Assisted Nano-network Co-Infiltration, VANCI) 공정’을 제안했다.

탄소섬유 강화복합재료는 가볍고 강도가 높아 항공기, 우주 구조물, 자동차 등 경량화가 중요한 산업 분야에서 핵심 구조재로 활용된다. 그러나 복합재 내부에서 탄소섬유를 결합하는 고분자 수지는 온도가 높아질수록 분자 사슬의 움직임이 증가해 연화되고 강성이 저하된다. 이에 따라 CFRP의 실제 사용 가능 온도는 탄소섬유보다 고분자 수지의 내열성에 크게 좌우된다.

고내열 수지인 폴리이미드(PI)는 일반적인 에폭시보다 높은 열적 안정성을 가지지만, 가공 과정에서 점도가 높아 탄소섬유 다발 내부까지 균일하게 침투시키기 어렵다는 한계가 있다. 특히 CNT와 같은 나노소재를 함께 도입해 고분자 사슬의 움직임을 제한하려면 조밀한 나노네트워크가 필요하지만, 네트워크가 촘촘해질수록 수지가 통과할 공간이 작아져 미함침과 공극 발생 가능성이 커진다.

연구팀은 이 같은 상충 문제를 해결하기 위해 CNT 네트워크 형성과 PI 수지 함침을 별도의 단계로 진행하지 않고, 하나의 공정에서 동시에 수행하는 VANCI 공정을 개발했다. 먼저 CNT와 분말 형태의 PI를 각각 용매에 균일하게 분산시킨 뒤 하나의 혼합 용액으로 만들고, 이를 탄소섬유 직물에 진공 여과 방식으로 침투시켰다.

진공 여과 과정에서 발생하는 압력 차는 CNT와 PI가 탄소섬유 표면에만 머무르지 않고 섬유 다발 내부까지 이동하도록 돕는다. 이 과정에서 CNT는 서로 연결된 나노스케일 다공성 네트워크를 형성하고, PI는 같은 경로를 따라 CNT 네트워크 내부까지 침투한다. 이후 용매 제거와 고온 압축성형을 거치면 탄소섬유의 마이크로 구조와 CNT의 나노 구조가 결합된 하이브리드 복합재가 완성된다.

연구팀이 최적 조건에서 제작한 CNT 네트워크의 평균 기공 직경은 약 49nm로 나타났다. 이는 일반적인 고점도 수지를 후속 공정으로 침투시키기 어려운 수준의 미세한 공간이다. 그러나 VANCI 공정은 CNT와 PI를 처음부터 함께 이동시킴으로써 나노공간 내부까지 수지를 효과적으로 배치할 수 있게 했다.

그 결과 기존 압축성형으로 제조한 PI-CFRP의 내부 공극률은 약 6.8%였지만, VANCI 공정으로 제조한 복합재의 공극률은 약 0.8%까지 감소했다. 약 88%의 공극 저감 효과를 보인 것으로, 고점도 PI를 사용하더라도 탄소섬유 내부까지 균일한 함침이 가능하다는 점을 확인했다.

특히 CNT 함량이 1.5wt%일 때 가장 균일하고 연속적인 CNT 나노네트워크가 형성됐다. 이 네트워크는 PI 고분자 사슬이 움직일 수 있는 공간을 줄이고, CNT와 PI 사이의 계면 상호작용을 통해 고분자 사슬의 운동을 추가로 제한했다. 이른바 ‘나노구속효과’가 극대화된 것이다.

CNT를 넣지 않은 탄소섬유 복합재는 395.6℃에서 말랑해지기 시작했지만, 1.5wt% CNT를 넣자 유리전이온도가 437.0℃까지 높아졌다. 열분해에 대한 저항성도 좋아져, 5% 중량감소 온도는 562.1℃에서 579.9℃로 상승했다.

※ 유리전이온도: 딱딱한 재료가 말랑해지기 시작하는 온도 / 5% 중량감소 온도: 재료 가열 시 원래 무게의 5%가 줄어드는 온도

다만 CNT를 더 많이 넣는다고 항상 성능이 좋아지는 것은 아니었다. 2.0wt%까지 넣으면 CNT가 서로 뭉쳐 내부 연결망이 고르지 못해지고, 열적 성능도 떨어졌다. 핵심은 CNT의 양보다 균일하고 연속적인 네트워크 형성이었다.

이 CNT 네트워크는 전기·열 전달과 내마모성도 높였다. 1.5wt% CNT 조건에서 전기전도도는 0.85S/m로 CNT가 없을 때보다 12배 이상 증가했고, 열전도도는 0.33W/mK에서 0.61W/mK로 약 85% 높아졌다. 평균 마찰계수는 0.36에서 0.27로 낮아졌고, 마모율은 약 51% 줄었다.

이번 연구는 고내열 수지의 낮은 가공성과 CNT 나노구조 내부로의 수지 침투라는 두 가지 난제를 동시에 해결했다. 특히 새로운 화학구조의 수지를 개발하는 방식이 아니라, 고분자 사슬의 열적 움직임을 물리적으로 제한하는 나노구속효과를 활용해 CFRP의 사용 가능 온도를 높이는 제조 전략을 제시했다.

향후 이 기술은 고온 환경에 노출되는 항공기 가스터빈 및 엔진 주변 구조재, 우주발사체와 위성 구조재, 열차폐 구조물 등에 적용될 가능성이 있다. 또한 CNT 네트워크의 전기·열전도성을 활용하면 항공기 제빙, 정전기 방전, 전자기파 차폐, 열관리 기능을 동시에 수행하는 다기능 복합재료로도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

성동기 부산대 교수는 “탄소섬유 복합재료는 우수한 기계적 물성을 가진 경량소재로 항공기나 자동차 등의 구조 부품에 활발히 적용되고 있으나, 고분자가 가지는 내열성의 한계로 항공기 엔진 등 고내열성이 요구되는 부품으로의 확대 적용에는 한계가 있었다”고 설명했다.

이어 “이번 연구에서는 내열성이 우수하지만 점도가 높아 가공이 어려운 폴리이미드를 용매를 통해 점도를 낮추고, CNT로 만든 나노네트워크 내부로 구속시켜 고온 안정성을 극대화하는 원스톱 공정을 개발했다”며 “우주항공·방산 등의 분야에서 요구되는 초고온 복합재료를 효율적으로 제조할 수 있는 핵심 공정으로 발전할 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 재원으로 한국연구재단의 나노 및 소재기술개발사업 지원을 받아 수행됐다.

연구 성과는 복합재료 분야 국제학술지 『어드밴스트 컴포지츠 앤드 하이브리드 머티리얼즈(Advanced Composites and Hybrid Materials)』 7월 23일자에 온라인 게재됐다.

논문 제목: Vacuum-Assisted Nano-Network Co-Infiltration Enables Nanoconfined Multiscale CNT/Polyimide CFRPs with Exceptional Thermal Stability and Multifunctionality (진공 보조 나노네트워크 동시 침투 공정을 통해 구현된 탁월한 열안정성과 다기능성을 지닌 나노구속 다중스케일 CNT/폴리이미드 CFRP)

논문 링크: https://link.springer.com/article/10.1007/s42114-026-01974-6

이번 연구는 부산대 응용화학공학부 성동기 교수가 교신저자, 김송희 석사과정생과 김다영 석박사통합과정생이 공동 제1저자로 수행했다. 신주은 석사과정생은 공동저자로 참여했으며, 한국재료연구원 오영석 박사가 공동연구자로 함께했다.

※ 용어 설명

● 탄소섬유 강화복합재료(CFRP): 탄소섬유와 고분자 수지를 결합한 경량 구조재로, 무게가 가벼우면서 높은 강도와 강성을 가져 항공기, 우주 구조물, 자동차 등에 활용된다.

● 폴리이미드(PI): 높은 내열성과 열적 안정성을 갖는 고성능 고분자로, 일반적인 고분자 보다 높은 온도에서 구조와 물성을 유지할 수 있어 항공·우주 분야에서 활용되는 대표적인 내열 수지다.

● 탄소나노튜브(CNT): 탄소 원자가 원통 형태로 연결된 나노 소재로, 높은 기계적 강도와 전기·열전도성을 가지며 서로 연결될 경우 조밀한 3차원 네트워크를 형성할 수 있다.

● VANCI 공정: CNT와 고분자 수지를 함께 분산시킨 저점도 용액을 진공 여과를 이용해 탄소섬유 내부로 동시에 침투시키는 제조기술이다. CNT 나노네트워크 형성과 고분자 수지 함침을 별도의 단계가 아닌 하나의 공정에서 구현하는 것이 특징이다.

● 나노구속효과: 고분자 사슬이 나노미터 크기의 제한된 공간에 위치하면서 자유롭게 움직이거나 배열을 변화시키기 어려워지는 현상이다. 고분자 사슬의 운동이 억제되면 유리전이와 열적 변형이 더 높은 온도에서 발생할 수 있다.

부산대 성동기 교수, 김송희, 김다영, 신주은(왼쪽부터)