저온 CVD 공정 최적화 및 CNT 성장이 현무암 섬유 강화 복합재의 기계-전기적 특성에 미치는 영향에 관한 연구 = A Study on the Effects of Low-Temperature CVD Process Optimization and CNT Growth on the Mechanical and Electrical Properties of Basalt Fiber-Reinforced Composites

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 Co–Cu 기반 촉매를 이용한 저온 화학기상증착(low-temperature CVD) 공정으로 현무암 섬유 표면에 탄소나노튜브(CNT)를 직접 성장시키고, 그 성장 조건이 현무암 섬유 강화 복합재(BFRP)의 계면 및 기계·전기적 특성에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다.
일반적으로 CNT는 높은 강도와 탄성률, 우수한 전기전도성을 바탕으로 복합소재의 기계적 특성과 전기적 특성 향상을 위한 대표적인 나노보강재로 활용되어 왔다. 그러나 매트릭스나 수지 내에 CNT를 분산시키는 기존 방식은 응집과 불균일한 계면 결합으로 인해 설계 대비 보강 효율이 낮고, 공정 재현성에도 한계를 가진다. 이러한 문제를 보완하기 위해 섬유 표면에 CNT를 직접 성장시키는 방법이 제안되고 있으며, 이는 섬유와 수지 계면에 계층적 보강 구조와 연속적인 전도 네트워크를 형성하여 기계적 강도와 전기적 기능성을 동시에 향상시킬 수 있는 잠재력이 있다. 다만 일반적인 CVD 공정은 비교적 높은 성장 온도를 요구하여 섬유의 열손상과 기계적 특성 저하를 유발할 수 있으므로, 본 연구에서는 Co–Cu 이중 금속 촉매를 설계하고 400–450 ℃ 범위의 저온 CVD 조건을 적용함으로써 섬유 손상을 최소화하면서 섬유 표면에 CNT를 직접 성장시키고자 하였다.
온도(400, 450℃)와 시간(15, 30, 45min)을 변화시키며 CNT 층의 두께, 균일성을 조절하였고, 이를 주사전자현미경(SEM)과 투과전자현미경(TEM) 관찰, XRD 및 Raman 분석, 면저항 측정을 통해 평가하였다.
기계적 특성은 CNT가 성장된 현무암 섬유 복합재에 대해 섬유 인장시험, 굽힘시험, 층간전단강도(ILSS) 시험을 수행하여 기계적 거동을 분석하고, 전기적 특성은 굽힘 하중–연동 저항(Self-sensing) 측정과 동축관 기반 전자파 차폐(EMI) 시험을 통해 전기·기능 특성을 비교하였다. 그 결과, 섬유 표면에 형성된 CNT 층은 섬유와 수지 계면 결합력을 증가시켜 ILSS를 향상시키는 반면, 과도한 성장으로 CNT 층이 두껍고 불균일해질 경우 수지 함침이 저해되어 굽힘강도와 섬유 인장강도가 저하되는 경향을 보였다.
전기적 측면에서는 CNT 성장에 따라 섬유 및 복합재의 전기저항이 변화하고, 굽힘 하중에 따른 저항 변화가 뚜렷하게 나타나 Self-sensing 기능이 부여되었으며, EMI 차폐 성능 역시 Neat BFRP 대비 향상되었다. 특히 저온 영역에서 형성된 비교적 얇고 균일한 CNT 층은 섬유 열손상을 최소화하면서 계면 강도, 전기 저항 감도, EMI 차폐 성능 사이의 균형 잡힌 성능을 확보하는 것으로 나타났다. 본 연구는 저온 CVD 기반 CNT 성장 현무암 섬유 복합재의 공정 – CNT층 두께 및 결정성 – 기계 및 전기적 특성 간 상관관계를 제시하고, 이를 친환경 자가 감지(Self-sensing) 구조재 및 전자파 차폐 재료로 활용할 수 있는 가능성을 제안한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, carbon nanotubes (CNTs) were directly grown on the surface of basalt fibers via a low-temperature chemical vapor deposition (CVD) process using Co–Cu-based catalysts, and the effects of CNT growth conditions on the interfacial, mechanical, and electrical properties of basalt fiber-reinforced polymer (BFRP) composites were investigated. CNTs, with their high strength, modulus, and excellent electrical conductivity, have been widely employed as representative nanoreinforcements to enhance the mechanical and electrical performance of composites. However, conventional approaches that disperse CNTs in the matrix or resin often suffer from agglomeration and non-uniform interfacial bonding, resulting in lower-than-expected reinforcement efficiency and limited process reproducibility. To overcome these issues, direct growth of CNTs on fiber surfaces has been proposed, which can build a hierarchical reinforcement architecture and a continuous conductive network at the fiber–matrix interface, thereby simultaneously improving mechanical strength and electrical functionality. Since typical CVD processes require relatively high growth temperatures that can cause thermal damage to the fibers and degrade their mechanical properties, this study designed Co–Cu bimetallic catalysts and employed low-temperature CVD conditions in the range of 400–450 °C to directly grow CNTs on basalt fibers while minimizing fiber damage.
The CNT layer thickness and uniformity were controlled by varying the growth temperature (400, 450 °C) and time (15, 30, 45 min), and evaluated through scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, and surface resistivity measurements. The mechanical properties of CNT-grown basalt fiber composites were characterized by fiber tensile tests, flexural tests, and interlaminar shear strength (ILSS) tests to analyze their mechanical behavior. The electrical and functional properties were assessed by monitoring resistance variation under flexural loading (self-sensing) and by electromagnetic interference (EMI) shielding tests using a coaxial transmission line method. The results showed that CNT layers formed on the fiber surface enhanced the interfacial bonding strength between fibers and matrix, leading to improved ILSS. In contrast, excessive CNT growth that produced thick and non-uniform CNT layers hindered resin impregnation and led to a decrease in flexural strength and fiber tensile strength.
From an electrical viewpoint, CNT growth altered the electrical resistance of both fibers and composites, and a pronounced resistance change under flexural loading confirmed the imparted self-sensing capability. The EMI shielding performance was also improved compared to neat BFRP. In particular, relatively thin and uniform CNT layers formed in the lower-temperature regime minimized thermal damage to the fibers while achieving a well-balanced combination of interfacial strength, electrical resistance sensitivity, and EMI shielding effectiveness. This work elucidates the correlations between low-temperature CVD processing, CNT layer thickness and crystallinity, and the resulting mechanical and electrical properties of CNT-grown basalt fiber composites, and suggests their potential application as eco-friendly self-sensing structural materials and EMI shielding components.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2 연구 목적 5
• 제 2 장 이론적 배경 8
• 2.1 섬유 강화 복합재 특성 8
• 2.2 현무암 섬유 개요 11
• 2.3 탄소나노튜브 보강재 13
• 2.4 탄소나노튜브 분산법 15
• 제 3 장 실험 17
• 3.1 탄소나노튜브 성장 기반 현무암 섬유 강화 복합재 제조 17
• 3.1.1 CVD 저온 성장용 촉매 제조 17
• 3.1.2 탄소나노튜브 성장 18
• 3.1.3 섬유 강화 복합재 제조 21
• 3.2 탄소나노튜브 성장 분석 23
• 3.2.1 탄소나노튜브 성장 형상 및 전기적 균질성 분석 23
• 3.2.2 성장된 탄소나노튜브 구조 및 결함 분석 25
• 3.3 탄소나노튜브 성장 기반 현무암 섬유 강화 복합재 기계-전기적 특성 시험 27
• 3.3.1 기계적 특성 시험 27
• 3.3.2 전기적 특성 시험 31
• 제 4 장 실험 결과 및 고찰 33
• 4.1 저온 CVD 공정 탄소나노튜브 성장 형상 및 균질성 분석 결과 33
• 4.2 탄소나노튜브 구조 및 결함 분석 결과 44
• 4.3 기계적 특성 시험 결과 50
• 4.4 전기적 특성 시험 결과 56
• 4.5 파단면 분석 60
• 제 5 장 결론 62
• 참고문헌 64
• Abstract 72