그래핀 나노플레이트렛 복합화
생산성 향상·상용화 가능성 높여
한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 홍순형 교수 연구팀이 고분자 기지 내 2차원 나노소재인 그래핀 나노플레이트렛을 복합화해 초경량 다기능성 나노복합소재를 개발했다고 5일 밝혔다.
그래핀 나노플레이트렛(GNP)은 현존하는 소재 중 가장 물성이 우수한 2차원 나노소재다. 제조 단가를 낮출 수 있는 기술이 개발되면서 상용화가 유망해진 신소재로 주목 받는다.
최근 그래핀 연구가 활발히 진행되면서 기존 소재와 혼합된 복합소재로 다양한 상업적 응용 가능성이 커지고 있지만 기지에 첨가 시 응집현상이 일어나는 단점이 있어 기존 강화재료에 비해 경쟁력이 부족했다.
연구팀은 문제 해결을 위해 기지 내 그래핀 나노플레이트렛의 표면을 기능기화 물질인 멜라민으로 개질(改質)했다. 멜라민이 가진 벤젠 구조를 이용한 파이 결합(π-π)을 통해 멜라민을 매개체로 그래핀 나노플레이트렛과 기지소재 사이에 강한 화학결합을 유도했다.
연구팀은 고에너지 밀링공정 기술을 사용해 그래핀 나노플레이트렛과 기능기화 물질을 서로 화학적으로 강하게 결합했다. 이를 이용해 그래핀 나노플레이트렛을 고분자 소재인 에폭시 내에 균질분산시켜 항복강도 1.4배, 탄성계수 2배로 강화된 초경량, 다기능성 그래핀-고분자 나노복합소재를 만들었다.
연구팀의 그래핀 나노복합소재 기술은 비공유 기능기화에 의해 그래핀을 기지 내에 균일하게 분산시킬 수 있으며, 생산성을 크게 향상시킨 고에너지 밀링공정 기술을 개발해 물성 향상과 더불어 산업계 상용화 가능성을 높였다.
이번 연구는 신소재인 그래핀 나노플레이트렛의 응집현상을 기능기화 공정을 통해 해결하는 동시에 그래핀 나노복합소재의 상용화 가능성을 제시했다는 면에서 의미가 있다.
홍 교수는 “항공기 및 인공위성용 초경량 소재, 내습·내산화용 배리어 소재, 투명 유연전자소재, 전자파 차폐용 스텔스 소재 등 다양한 분야에 적용가능하다”며 “단일 공정을 이용해 그래핀 표면을 개질하고 기지 소재 내 균질 분산시킨 물성이 극대화된 나노복합소재 제조를 위한 원천기술”이라고 설명했다.
이번 연구는 한국연구재단 미래소재디스커버리 사업의 지원을 받아 수행됐다.
김준희 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 재료분야 국제 학술지 ‘파티클’(Particle & Particle Systems Characterization) 6월 22일자 표지논문에 선정됐다.
조재근 기자 jack333@cctoday.co.kr