Rice University, 가장 강력한 산업용 탄소나노튜브 섬유 개발
기사 발행일 : 2020-08-18
Rice University 에서 만든 탄소나노튜브(이하 CNT) 섬유는 현재 케블라(Kevlar)보다 튼튼하고 구리의 전도성을 높여가고 있다.
Rice lab의 화학 및 생체 분자공학자인Matteo Pasquali는 습식 회전 공정을 통해 긴 탄소 나노튜브로 만들어진 가장 강력하고 전도성이 높은 섬유를 개발했다고 carbon에 보고했다. 대학원생 Lauren Taylor 과 Oliver Dewey가 주도한 새로운 연구에서, 연구원들은 의료 및 재료 응용분야에서 획기적인 발전을 가져올 수 있는 습식회전 CNT 섬유가 3년마다 강도와 전도성이 두 배씩 증가하며 이는 거의 20년 동안 지속되는 추세라고 지적했다. 그것이 수십 년 동안 컴퓨터 칩 발전의 기준이 된 무어의 법칙을 모방하지 못할 수도 있지만, Pasquali 와 그의 팀은 CNT 섬유를 만들기 위한 그들이 개척한 방법을 발전시키기 위해 그들의 역할을 하고 있다.
단면에 수천만 개의 나노튜브가 있는 이 연구실의 실 모양 섬유는 손상된 심장을 수리하는 교량, 뇌와의 전기적 인터페이스, 인공 달팽이관 이식, 유연한 안테나, 자동차 및 항공우주 응용분야에 사용하기 위해 연구되고 있다.
flexible Rice fibers 의 인장 강도는 4.2기가파스칼(GPa)으로 3.6Gpa인 케블라 섬유에 비해 높다. 이 섬유들은 높은 결정성을 가진 긴 나노튜브를 필요로 한다. 즉, 결함이 거의 없는 규칙적인 탄소-원자 고리의 배열이다. Dewey 는 Rice Lab 공정에서 사용되는 산성 용액은 섬유 강도에 방해가 될 수 있는 불순물을 감소시키고 잔류 도핑을 통해 나노튜브의 금속성을 향상시킨다고 말했다.
그는 Rice 섬유에 사용되는 12마이크로미터 나노튜브의 표면적은 더 나은 Van der Waals 결합을 용이하게 한다고 지적하면서 "나노튜브의 길이 또는 종횡비는 우리 섬유의 성질을 움직이는 결정적인 특성"이라고 말했다. 이어 "우리 나노튜브를 성장시키는 협력자들이 촉매에서 나오는 금속 불순물의 수와 우리가 비정질 탄소 불순물이라고 부르는 것을 제어함으로써 용액 처리를 최적화하는 것에도 도움이 된다."
연구원들은 이 섬유들의 전도도가 미터당 10.9 메가지멘스 (백만 지멘스)로 향상되었다고 말했다. Dewey 는 "CNT 섬유가 10 메가지멘스 임계값을 넘은 것은 이번이 처음이어서 나노튜브 섬유의 새로운 규모를 달성했다"고 말했다. 무게로 정규화하면, Rice 섬유가 구리 전도도의 약 80%를 달성한다고 말했다.
Taylor 는 "그러나 우리는 백금 와이어를 능가하고 있으며 이는 우리에게 큰 성과이다"면서 "섬유 열전도율은 피치흑연섬유를 제외하고 어떤 금속이나 합성섬유보다 우수하다"고 말했다."Dewey 는 연구소의 목표는 산업에서 대규모로 통합 할 수 있을 만큼 우수한 섬유를 효율적이고 저렴하게 생산하는 것이라고 말했다. 용액 가공은 케블라를 포함한 다른 종류의 섬유의 생산에서 흔히 이루어지기 때문에 공장에서는 큰 재설정을 하지 않고도 익숙한 공정을 사용할 수 있다. "우리 방법의 이점은 기본적으로 플러그 앤 플레이(plug-and-play)라는 것"이라고 그는 말했다. "이것은 본질적으로 확장 가능하며 합성섬유가 이미 만들어진 방식과 잘 들어맞는다."
Taylor는 "CNT는 사람들이 수십 년 동안 과대평가해 온 모든 성질을 결코 다 얻을 수 없을 것이라는 관념이 있다"고 말했다. "그러나 우리는 해를 거듭할수록 좋은 성과를 보고 있다. 쉽지 않지만 우리는 여전히 이 기술이 세상을 바꿀 것이라고 믿고 있다."
