[국가기반기술연구본부] 고효율 전기자동차를 위한 탄소나노재료와 플라스틱의 복합체(오진우 기자)

최근 전기자동차에 대한 개발이 많이 이루어지고 있습니다. 전기자동차는 경유나 휘발유를 이용하는 자동차에 비해 조용하고, 어디서든 충전이 가능하며 유지비용이 적게 들며, 무엇보다 친환경적이라는 장점이 있습니다. 하지만 전기자동차는 배터리의 한계로 인해 오랜 시간의 주행이 불가능하다는 큰 단점이 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 전기자동차의 배터리 용량을 크게 만들거나, 자동차의 주행 효율을 높여야 할 것입니다.
제가 오늘 다룰 주제는 아주 단단하고 튼튼하며, 무엇보다 강철에 비해 훨씬 가벼운 탄소나노재료를 이용한 탄소나노재료/플라스틱 복합체입니다. 만일 자동차의 차체가 플라스틱으로 대체될 수 있다면 매우 무거운 자동차의 무게가 획기적으로 감소하고, 따라서 전기자동차의 짧은 주행 시간이라는 문제를 해결할 수 있을 것입니다. 이미 많은 자동차에서 부품을 플라스틱으로 대체하려는 노력을 하고 있으며, 실제로 다양한 종류의 플라스틱(고분자)물질이 자동차에서 사용되고 있습니다. 과거에는 금속이나 세라믹으로 제작되었던 부품들이 더욱 가볍고 튼튼한 플라스틱으로 대체가 되었으며, 앞으로는 더 많은 부품을 플라스틱이 대신할 것으로 예상할 수 있습니다.

 

<그림 1> 차량의 다양한 부분에 이미 고분자 복합체가 다가와 있습니다.

<그림 2> 1대의 자동차에 평균적으로 들어가는 화학물질의 비용 중

플라스틱과 고분자 복합체가 가장 큰 비중을 차지하고 있습니다. (2015년, 미국)

일반적으로 플라스틱은 약하고 가벼운 물질이라고 생각이 되는데, 어떻게 금속을 대체할 수 있는 걸까요? 그것은 바로 플라스틱에 다른 물질(첨가제 혹은 filler)을 넣어서 플라스틱의 물성을 강화시켰기 때문입니다. 아래 첨부된 표를 보았을 때, 일반적인 플라스틱은 금속에 비해 월등히 낮은 물성을 가지고 있는 것을 알 수 있습니다. 하지만 플라스틱에 다른 물질을 넣어 “플라스틱 복합체(polymer composite)”을 제작하였을 때는 물성이 금속의 물성과 비슷한 정도로 튼튼해진다는 것을 볼 수 있습니다.

<그림 3> 플라스틱과 플라스틱 복합체, 금속에 대한 물성(y축)과 밀도(x축)를 나타낸 표입니다.

왼쪽으로 갈수록 가볍고, 위로 갈수록 튼튼한 물질입니다.

기존의 플라스틱 복합체에는 유리섬유나 탄소섬유가 주로 사용되었습니다.  하지만 최근에는 금속에 비해 수십 배 튼튼하다고 알려진 탄소나노튜브나 그래핀과 같은 탄소나노재료를 이용하여 플라스틱 복합체를 제조하려는 시도가 이루어지고 있습니다.

<그림 4> 탄소나노튜브와 그래핀의 모습입니다. 6각형의 모양을 이루며 연결된 탄소 원자 때문에

탄소나노튜브와 그래핀은 강철에 비해 수십 배 이상 튼튼하고, 전기전도도와 열전도도 모두 뛰어나다고 알려져 있습니다.

한국과학기술연구원 광전하이브리드센터의 박민 박사님 연구팀에서 최근 Composite Part B: Engineering 이라는 국제 저널에 탄소나노재료와 고분자재료의 복합체를 제조하여 복합체의 물성을 높일 수 있다는 연구결과를 발표하였습니다. 이 연구에서는 소량의 탄소나노재료를 사용하여 기존의 플라스틱에 비해 물성이 10% 가량 증가한 플라스틱/탄소나노재료 복합체를 제작하였습니다.

<그림 5> 플라스틱/탄소나노재료 복합체는 위와 같은 방법으로 제작하게 됩니다.

매우 가볍고 튼튼한 플라스틱 복합체를 간단한 방법으로 제작할 수 있습니다.

일반적으로 탄소나노재료를 사용하여 복합체를 제작할 경우, 탄소나노재료가 서로 뭉치는 일이 발생할 수 있는데요, 이런 경우 복합체의 물성이 대폭 떨어집니다. 박민 박사님 연구팀에서는 플라스틱/탄소나노재료 복합체 내에서 얼마나 탄소나노재료가 뭉쳐있는지 수치화 할 수 있는 방법을 개발했습니다. 이 방법을 이용한다면 어떻게 복합체를 제작해야 더 좋은 물성을 가질 수 있는지 예측을 할 수 있게 됩니다.

<그림 6> 박민 박사님 팀에서 제시한 탄소나노재료-플라스틱 복합소재 내의

탄소나노재료의 분산도 측정방법에 대한 요약도입니다.

물론 아직 탄소나노재료의 물성은 기존의 플라스틱 복합체나 금속에 비해 떨어지고 있습니다. 하지만 가볍고 튼튼한 탄소나노재료의 특성을 살릴 수 있는 복합체를 제작한다면 기존의 자동차의 효율을 더 높일 수 있을 것입니다. 그렇다면 미래에는 플라스틱으로 제작된 가벼운 자동차를 타고 다닐 수 있지 않을까요?