본문 바로가기

KIST 최신 R&D 연구소식을 소개합니다

미투데이 보내기
twitter 보내기
Facebook 보내기
수명 다한 탄소섬유로 고기능성 나노소재 만든다 보기
제목 수명 다한 탄소섬유로 고기능성 나노소재 만든다
연구팀 양자응용복합소재연구센터 배수강 박사, 탄소융합소재연구센터 이성호 박사 조회수 1708
파일첨부 170518 [KIST 보도자료] 폐 탄소섬유의 기능성 나노소재로의 변신_전북 배수강 박사_최종.hwp  
수명 다한 탄소섬유로 고기능성 나노소재 만든다


- 탄소섬유를 이용한 기능성 탄소나노소재 제조 및 응용 기술 개발

- 재활용의 차원을 넘어 고부가가치 물질로 전환, 다양한 분야에 응용 기대

탄소 기반 나노 구조체는 단일 소재만으로도 태양전지, 발광다이오드(LED), 바이오 이미징, 광촉매, 센서 등 다양한 분야에 활용 가능하다는 장점이 있어 산업 현장 및 학계에서 각광받고 있는 소재이다. 이와 더불어, 탄소 구조체 내에 이종 원소를 도입함으로써 광학적 특성 및 촉매 특성을 향상 시킬 수 있다는 연구 결과가 잇달아 발표됨으로써 관심도는 점점 더 증가하는 추세이다. 최근 국내 연구진이 수명이 다한 탄소섬유를 이용하여 고기능성 탄소나노소재로 재활용하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원 복합소재기술연구소(분원장 김준경) 양자응용복합소재연구센터 배수강 박사, 탄소융합소재연구센터 이성호 박사 공동 연구팀은  폴리아크릴로나이트릴(PAN, Polyacrylonitrile)이라고 불리는 고분자 물질로 제작된 탄소섬유를 이용하여 고 결정성과 더불어 균일한 크기 분포도를 가지는 질소가 도핑된 그래핀 양자점을 효율적으로 합성할 수 있는 기술을 개발했다.

연구팀은 PAN계열 고분자 섬유를 기반으로 하는 탄소섬유를 산(Acid) 용액에서 적정 온도로 가열하여 합성하는 하향식 접근법*을 이용하여 균일한 크기 분포도를 가지는 수 nm 크기의 탄소 구조체를 합성하였다. 해당 공정은 저분자 유기 전구체를 가열하는 방식의 상향식 접근법으로 합성된 탄소 구조체에 비해 높은 결정성을 가지는 장점이 있고, 추가적인 후처리 공정 없이 결정성 저해 없는 이종 원소인 질소를 함유한 탄소 구조체를 합성할 수 있다. 또한, 경제적인 측면에서 수명이 다한 PAN 탄소섬유 및 복합소재를 사용할 수 있어 원료물질의 비용부담이 전혀 없는 그래핀 양자점 합성방법이다.  *용어설명 참고
현재 탄소섬유 복합소재를 생산하고 사용하는 산업체에서 재활용 및 폐 복합소재 처리 방안이 큰 이슈인 상황에서, 본 연구는 리싸이클(recycle) 개념을 넘는 기존 물질보다 부가가치가 높은 물질로 전환하는 업싸이클(upcycle) 기술을 제시한다는 측면에서 그 의의가 크다고 할 수 있다. 후지 경제에 따르면 2030년 PAN계 탄소섬유복합재료 시장은 약 40조 8000억 원으로 2015년 대비 관련시장이 4배 가량 급속 성장할 전망이다.

제조된 그래핀 양자점의 광·전기적 응용 분야의 적용 가능성을 제시하기 위해 전도성 고분자를 이용하였다.  특히, 유기 태양전지 소자의 정공 전달층에 소량 첨가하는 연구를 진행하였고, 최대 14.5%의 광전변환효율 향상이 가능함을 보임으로써 다양한 응용 분야에 적용 가능함을 시사했다.  

배수강 박사는 “추가적인 후처리 공정 없이 이종 원소를 효과적으로 도입함으로써 특성 향상 및 경제성을 크게 높인 것이 장점”이라 말하며, “향후, 탄소나노소재를 함유한 복합소재 분야 발전에 다양하게 응용될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구로 학계에서는 그래핀 등 탄소 구조체의 특성 향상과 더불어, 폐 탄소섬유 및 복합소재를 이용한 다양한 기능성 소재로의 응용 및 재활용에 대한 발판을 마련한 것으로 평가하고 있다. 연구진은 이번 연구를 바탕으로 하여 고 결정성 탄소나노소재의 물성에 관련된 기초연구와 유/무기 복합 소재 제작, 그 특성에 대한 연구를 진행하고 있다.

본 연구는  미래창조과학부의 지원으로 KIST 기관고유사업, 글로벌프론티어사업 및 산업통상자원부의 산업핵심기술개발사업을 통해 수행되었으며, 에너지 재료 분야의 권위지인 나노에너지(Nano Energy, Impact Factor: 11.553) 4월호에 게재되었다.


<그림설명>
11.jpg

<그림 1> 
배수강 박사, 이성호 박사 공동 연구팀은 PAN 계열 탄소섬유를 이용하여 용액공정을 통해 4 nm 정도의 크기 및 3층 이하의 두께를 가지는 고품질의 그래핀 양자점을 합성 하였다.


22.jpg
<그림 2> 
해당 탄소 양자점의 광학적 특성을 보여주는 결과이다. 원소재인 PAN 섬유의 열처리 온도에 따라 합성된 그래핀 양자점의 질소 및 산소 원자의 성분비에 차이가 생기며, 이로 인해 상이한 발광 특성을 보이게 된다.

33.jpg

<그림3> 
그래핀 양자점이 함유된 정공 수송층을 이용하여 제작된 유기태양전지의 특성은 태양전지소자의 광 에너지 전환 효율(power conversion efficiency: PEC)은 최대 14.5% 이상 증가 하였다.

목록
자료관리 담당
홍보팀 김남균
연락처
02-958-6170
e-mail
neoryan@kist.re.kr
페이지 만족도 조사

열람하신 정보에 대해 만족하십니까?

위로 인쇄