화학뉴스

한국과학기술원(KAIST)은 김용훈 EEWS대학원 교수 연구팀이 차세대 고품질 탄소섬유 개발에 필요한 구조적 특성을 규명했다고 4월26일 발표했다.
탄소섬유는 매우 가벼우면서도 기계적·열적 특성이 뛰어나 초경량 자전거, 골프 클럽에서 자동차, 항공우주, 원자력 분야에서 다양하게 활용되고 있다.
탄소섬유는 전구체 고분자를 방사한 후 안정화·탄화 작업을 통해 제조하며 주로 PAN(Polyacrylonitrile)을 전구체로 사용하고 있다.
김용훈 교수 연구팀은 슈퍼컴퓨터로 PAN 고분자가 탄소나노튜브 계면(물질끼리 맞닿은 경계면)에서 배열되는 과정을 체계적으로 재현했다.
양자역학 기반 제1원리 계산과 고전역학 기반 분자 동역학을 이용해 양자·분자 수준에서 현상을 분석하는 멀티스케일 시뮬레이션을 시행했다.
연구팀에 따르면, PAN 고분자 단위체가 누워있는 형태의 특정 원자구조를 선호하는데, 이때 양전하와 음전하가 균형 있게 이동하는 특성이 발현된다.
계면 구조를 최대화하는 것이 최적의 대규모 PAN 고분자 정렬을 유도하는 방식이라고 연구팀은 설명했다.
연구팀은 PAN 고분자 정렬도가 그래핀 나노 리본과의 계면에서 극대화되는 것을 확인해 그래핀을 이용해 탄소섬유 품질을 향상시킬 수 있다는 가능성을 제시했다.
김용훈 교수는 “양자역학에 기반을 둔 전산기법이 첨단 소재·소자 개발을 위한 기본원리를 제공하는 것을 보여준 사례”라며 “컴퓨터 성능 발전에 맞물려 전산 모사 연구의 중요성이 더 커질 것”이라고 주장했다.
미래창조과학부 지원을 받아 연구를 수행했고, 이주호 박사과정이 제1저자로 참여한 연구 성과는 Advanced Functional Materials 4월11일자 속표지 논문으로 게재됐다.