PAN계 탄소섬유 표면 부착 나노입자의 새로운 합성법 개발

고효율 철산화물 나노입자 합성으로 수질오염 개선 등 응용소재 연구 기대

▲ 탄소섬유표면에 형성된 철산화물나노입자에 대한 X선 회절분석(왼쪽 상단)과 전자현미경 관찰 결과

 한국기초과학지원연구원(원장 신형식, 이하 KBSI) 전주센터 박종배 박사 연구팀은 보다 효율적인 방법으로 탄소섬유 표면에 철산화물 나노입자를 합성하는 방법을 개발했다.

 이에 따라, 하천 등의 인산염과 중금속을 제거하는 등 수질 오염을 해결할 수 있는 소재 개발을 비롯해 나노입자가 부착된 탄소섬유를 활용하는 다양한 형태의 응용 소재연구가 가속화 될 것으로 기대된다.

 하천에 유입된 각종 오폐수와 비료의 과다한 사용으로 하천의 인산염, 질산염 등의 농도가 높아지고, 여름철 강한 태양 빛으로 조류의 광합성이 활발해지면 녹조·적조 등의 환경 오염이 발생한다. 철산화물 나노입자는 물속의 인산염이나 중금속을 흡착·제거할 수 있어, 나노입자가 부착된 탄소섬유 필터를 활용하면 오염이 발생하기 전 단계에서 원천적으로 수질을 개선할 수 있다.

 지금까지 철산화물 나노입자를 합성하기 위해서는 높은 압력과 고온의 환경에서 다양한 첨가제를 사용해야했다. KBSI 연구팀은 열적 가수분해 방법을 사용해 60℃이하의 낮은 온도에서 보다 간단하면서도 효과적으로 나노입자를 합성하는 방법을 개발했다.

▲ 열적가수분해 방법으로 탄소섬유 직물표면에 철산화물 나노입자를 생성하는 과정

 또한, 탄소섬유 표면에 나노입자를 합성하기 위해 기존에는 활성탄소섬유를 가공하는 것이 일반적이었으나, 이번에 개발된 합성방법을 이용하면 시장 점유율이 월등히 높은 PAN계 탄소섬유에도 나노입자를 형성할 수 있으며, 대면적 합성도 가능하다.
* 전 세계 탄소섬유 시장 점유율은 PAN계 탄소섬유가 약 90%(2019년 기준)

 이번 연구결과는 재료분야 전문학술지인 Applied Surface Science 誌 온라인판(논문명 : Simple and efficient method to synthesize ferric oxyhydroxide nanoparticles on carbon fiber fabric for environmental application, IF = 6.182, JCR 상위 5%, 공동교신저자 : 박종배 선임연구원, 김양수 책임연구원)에 최근 게재되었다.

▲ 탄소섬유표면에 형성된 철산화물나노입자의 인 흡착력에 대한 광전자분광분석 결과

 논문의 제1저자이자 공동교신저자인 박종배 전주센터장은 “아무런 첨가제도 사용하지 않고 철산화물 나노입자를 PAN계 탄소섬유표면에 대면적으로 합성하는데 성공한 이번 연구는, 지금까지 한번도 보고되지 않은 성과로서 산업적 의미가 크다”며 “수질 개선에의 활용뿐 아니라,  탄소섬유가 가진 고전도성 특성을 활용해 배터리·센서 소재로서의 활용도 기대할 수 있다”고 밝혔다.

 이번 연구에 대해 공동교신저자인 한국기초과학지원연구원 김양수 부원장은 “이번 연구성과는 각 지역센터 간에 특화된 연구영역을 서로 연계한 융합연구의 결과물”이라며, “탄소소재 연구에 특화된 전주센터와 표면 분석에 특화된 부산센터가 보유한 분석장비들과 연구노하우가 시너지를 창출해 빠르고도 정확한 분석과 성과도출로 이어졌다”고 밝혔다.

 이번 연구는 한국연구재단(이공학개인기초)과 한국기초과학지원연구원(주요사업)의 지원을 통해 KBSI 2개 지역센터와 순천향대학교가 공동으로 수행했다. KBSI 전주센터 박종배 박사(전주센터장) 연구팀이 연구 설계를 비롯한 전반적인 실험을 주도하였고, KBSI 부산센터 배종성 박사(부산센터장)가 XPS(광전자분광분석기)를 활용한 시료의 표면분석을 수행했다. 순천향대 이영우 교수팀은 실험 데이터 해석에 참여했다.  <끝>