-‘황금 실’ 아라미드 섬유에 탄소나노튜브를 접목, 전기도 통하는 ‘검은 실’

아라미드 섬유는 무게가 강철의 20% 수준에 불과하지만, 강도는 5배 이상으로 강하고 섭씨 500도에서도 불타지 않아 ‘슈퍼섬유’ 또는 ‘황금실’이라고 불린다. 

방탄복, 방화복, 광케이블 보강재, 고성능 타이어, 우주‧항공 소재 등 다양한 분야에서 필수적인 소재로 쓰이는 아라미드 섬유는 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)의 故 윤한식 박사가 1979년부터 국산화를 위해 연구해 1984년 독자적 원천기술을 확보했다.

아라미드 섬유와 탄소나노튜브 복합으로 탄생한 ‘검은 실’

KIST 전북 복합소재기술연구소 기능성복합소재연구센터 김대윤 박사 연구팀은 지난 2월 23일, 아라미드 섬유에 탄소나노튜브를 적용해 가볍고, 강하면서 불에 타지 않을 뿐 아니라 기존의 아라미드 섬유가 갖지 못했던 전기 전도성까지 갖는 새로운 복합섬유를 개발했다고 밝혔다. 새로 개발한 섬유는 탄소나노튜브로 인해 검은색을 띤다.

KIST 연구팀은 누에고치에서 아이디어를 얻어 극도로 낮은 분산성을 가지는 아라미드와 탄소나노튜브를 결합하는 데 성공했다. 

누에고치는 고농도의 단백질로 고강도의 섬유를 만들어내는데, 이는 액정상1)을 이용하기에 가능한 일이다. 유동성과 규칙성을 모두 가지는 액정상을 이용하면 복합섬유를 제작할 때 아라미드와 탄소나노튜브의 응집을 최소화하면서 동시에 배열을 향상시킬 수 있다. 연구팀은 액정상을 이용해 기존에 상용화된 아라미드 섬유와 같이 높은 비강도2)를 가지며, 비 전기전도도3)가 구리 전선의 약 90% 수준에 이르는 복합섬유를 구현해냈다.

액정상: 물질이 액체와 고체 상태의 중간적인 위치에 있는 상태

비강도: 물질의 강도를 밀도로 나눈 값으로 같은 질량의 물질이 얼마나 강도가 센가를 나타냄.

비 전기전도도: 물질의 전기전도도를 밀도로 나눈 값으로 같은 질량의 물질이 얼마나 전기전도도가 높은지를 나타냄.

‘검은 실’의 인장 강도(가로축) 및 전기전도도(세로축) 성능 분포 그래프

‘검은 실’ 개발 핵심 요소 모식도 및 에너지 수송용 전선 응용 예시

이번에 개발한 차세대 아라미드 섬유는 전기 전도성을 가지고 있음에도 불구하고 금속을 전혀 사용하지 않았기 때문에 유연하고, 부식성이 없으며, 구리 전선의 무게 대비 약 30% 수준으로 가볍다. 향후 스마트 밀리터리, 의료용 로봇, 친환경 모빌리티, 항공우주 등 다양한 분야에서 차세대 전선으로 활용될 것으로 기대된다.

김대윤 박사는 “故 윤한식 박사님은 독자 기술로 아라미드 섬유 국산화에 성공하셨지만, 후발주자였기 때문에 시장에 먼저 진출한 美 듀폰사와 오랜 시간에 걸쳐 특허분쟁을 겪었다”라며, “이번에 개발된 기술은 슈퍼섬유 시장의 판도를 바꿀 수 있는 원천기술”이라고 밝혔다.

본 연구는 KIST의 K-Lab 프로그램과 NRF의 우수신진연구 프로그램의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 섬유 분야의 저명한 국제학술지인 ‘Advanced Fiber Materials’(IF: 12.924, JCR 1.923%)에 게재되었다.

* 논문명: Boost Up the Mechanical and Electrical Property of CNT Fibers by Governing Lyotropic Liquid Crystalline Mesophases with Aramid Polymers for Robust Lightweight Wiring Applications

- (제1저자) 한국과학기술연구원 유기현 연수생

- (교신저자) 한국과학기술연구원 김대윤 선임연구원

※ 논문 주소: https://doi.org/10.1007/s42765-022-00246-4

< 연구진 소개 >

김대윤 박사 (교신저자)	○ 소속: 한국과학기술연구원 복합소재기술연구소 기능성복합소재연구센터 ○ 전화: 063-219-8184 ○ e-mail: kdaeyoon@kist.re.kr
유기현 학생연구원 (제1저자)	○ 소속: 한국과학기술연구원 복합소재기술연구소 기능성복합소재연구센터 ○ 전화: 063-219-8236 ○ e-mail: ryukihyun@kist.re.kr