[논문자료] 나노탄소 고분자 복합재료

출처: 픽사베이

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나노탄소 중에서도 가장 유망한 것으로 알려져 있는 CNT가 1991년[1], 그래핀이 2004년[2] 그 실체가 알려진 이후 그들의 독특하고 탁월한 특성 때문에 수많은 과학기술자들의 연구대상이 되어 왔었다. 연구방향은 대체로 세가지로 분류할 수 있다. CNT와 그래핀 그 자체를 응용하는 연구, 고분자 복합재료의 강화재로 이용하는 연구[3-7], 무기물과의 혼성에 의한 특성의 상승 효과를 구현하는 하이브리드에 대한 연구[3,7,8]가 그것이다. 여기서는 나노탄소 고분자 복합재료에 초점을 맞추어 최근의 연구동향을 살펴보았다.

 

CNT와 그래핀은 표면적이 큰 것은 물론이고 직경 대비 길이의 비가 높고, 강도와 탄성율이 탁월하여 고분자 복합 재료의 유망한 강화재로 인식되어 왔었다. 강도와 탄성율은 고강도/고탄성 탄소섬유보다 월등히 우수하여 현존하는 재료 중 가장 뛰어난 것으로 평가되고 있다. 그 위에 전기 및 열전도성이 매우 높아 고분자 복합재료에 구조적인 강화와 전기 및 열전도기능을 동시에 부여할 수 있는 장점 을 가지고 있다. 나노탄소 고분자 복합재료의 응용범위를 항공, 우주, 자동차를 넘어 전기, 전자에까지 확대할 수 있는 이유가 여기에 있다.

 

논문 출처: https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=JAKO201319947248837

CNT와 그래핀을 복합재료의 충전재로 이용하는 나노 탄소 고분자 복합재료는 기존의 나노 복합재료에서 경험하였던 분산성과 가공성의 문제로 그 함량이 제한을 받고 있다. 매우 낮은 함량, 통상 5 wt% 이하일 때 강화 효과는 뛰어나지만 절대적인 함량이 낮아 결과적으로 얻는 복합재료의 특성, 특히 기계적 특성은 기존의 고성능 복합재료인 탄소섬유 강화 복합재료에 미치지 못한다. 이러한 한계를 극복하기 위한 방법이 기존의 FRP에 추가적으로 나노탄소를 도입하여 FRP가 가지고 있는 결점을 보완하고, 나아가서는 마이크론 크기의 나노탄소 섬유를 이용하여 나노크기의 어려움을 해결하는 방향으로 나노탄소 고분자 복합 재료 기술이 진보하고 있다.

 

나노탄소 충전 복합재료의 기계적인 특성이 비록 기존의 고성능 복합재료에 미치지는 못하지만 나노탄소가 가지고 있는 고유특성인 전기와 열전도도의 탁월성을 이용하는 분야에서는 실용적이고 의미있는 기술발전이 이루어지고 있다. CNT나 그래핀을 이용하여 전자파 차폐용 플라 스틱, 정전분산 플라스틱 등을 실용화하려는 노력이 최근 상당한 결실을 맺고 있다. 나노탄소 충전 FRP 복합재료는 층상복합재료의 치명적인 결점을 보완하는 새로운 수단으로 등장하여 기존 FRP의 용도확대가 기대되고 있다. 나노 크기의 난제를 마이크론 크기로 해결한 나노탄소 섬유 복합재료는 향후 실용적인 기술발전이 기대가 되는 분야이다. 현재는 나노탄소 섬유 자체의 제조기술이 실험실 단계 에 머물러 있고, 제조기술의 완성도가 낮아 이를 이용하는 복합재료 연구개발이 추진력을 얻고 있지 못하다. 그러나 수년이내에 상업적인 규모의 생산이 가능할 것으로 알려지고 있어, 머지 않아 나노탄소섬유 복합재료의 기술발전이 관련 학계 및 산업계의 지대한 관심사가 될 것이다.

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CMAS / CMAM / CMAP

복합소재 성형법 중 Autoclave 성형법은 많은 생산량을 필요로 하지는 않지만 높은 품질이 요구되는 복합재료를 이용한 부품을 제조할 때 주로 사용되며 높은 강도, 내충격성, 경량성, 전기절연성, 내마모성, 내식성 등을 향상시킬 수 있다는 장점있습니다.

이런 특성때문에 복합소재는 우주항공분야와 자동차, 철도, 선박, 건설 분야 등에서도 다양하게 활용되어지고 있습니다.

 

복합소재의 종류로는 PMC, MMC, CMC가 있으며 산업군에 따라 활용방법을 다르게 적용할 수 있습니다.

PMC	고분자 수지와 각종 섬유로 구성됨(Carbon, Aramid, Glass) - FRP
MMC	알루미늄과 같은 금속 재료를 기지 재료로 사용, 주로 자동차 산업에 많이 사용됨
CMC	고온에서 사용하는 재료, 세라믹을 기재 재료로 사용, 주로 세라믹 섬유 보강재료로 사용됨

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