KAIST, 초경량 다기능성 그래핀 나노복합소재 개발

[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = ‘꿈의 신소재’ 그래핀 가운데 100나노미터(1나노미터는 10억분의 1미터) 미만의 두께에 여러 층으로 쌓인 구조를 지닌 것을 흔히 ‘그래핀 나노플레이트렛(GNP)’이라고 한다. GNP는 흑연으로부터 제조 가능하고 대량 생산이 가능해 그래핀 상용화에 유망하다고 평가받는다.

하지만 GNP의 상용화는 자체 응집현상을 극복해야만 하는 실정이다. GNP의 자체 응집은 접착력을 낮춰 복합재료의 기계적, 열적 성질에 영향을 주기 때문이다. 국내 연구진이 GNP 응집현상을 해결하는 기술을 내놨다.

KAIST(총장 신성철) 신소재공학과 홍순형 교수팀은 GNP를 복합화해 초경량 다기능성 나노복합소재를 개발했다고 5일 밝혔다.

[그림]. 기능기화에 의한 표면개질된 그래핀 나노플레이트렛을 3D 이미지로 묘사한 표지 (항공재료 응용 예) 2018.08.05 [자료=KAIST]

연구진은 GNP의 자체 응집 문제해결을 위해 GNP의 표면을 기능기화 물질인 멜라민으로 변경했다. 멜라민이 가진 벤젠 구조를 이용한 파이 결합(π-π)을 통해 연구팀은 멜라민을 매개체로 GNP와 강화재료(matrix) 사이에 강한 화학결합을 유도했다.

또한 연구진은 고에너지 밀링공정 기술을 사용해 GNP와 기능기화 물질을 서로 화학적으로 강하게 결합했다. 이를 이용해 GNP를 고분자 소재인 에폭시 내에 균질 분산시켜 항복강도 1.4배, 탄성계수 2배로 강화한 초경량, 다기능성 그래핀·고분자 나노복합소재를 개발했다.

이번 기술은 생산성을 크게 향상시킨 고에너지 밀링공정 기술을 개발, GNP의 응집현상을 해결하면서 물성 향상과 더불어 그래핀 나노복합소재의 산업계 상용화 가능성을 높였다.

KAIST 신소재공학과 홍순형 교수 2018.08.05 [사진=KAIST]

홍 교수는 “항공기 및 인공위성용 초경량 소재, 내습·내산화용 배리어 소재, 투명 유연전자 소재, 전자파 차폐용 스텔스 소재 등 다양한 분야에 적용가능하다”며 “단일 공정을 이용해 그래핀 표면을 변경하고 물성을 극대화한 나노복합소재 제조를 위한 원천기술”이라고 말했다.

이번 연구결과는 재료분야 국제 학술지 파티클(Particle & Particle Systems Characterization) 6월 22일자 표지논문에 선정됐다.

kimys@newspim.com