카이스트, 초경량 다기능 그래핀 신소재 개발

기존 응집현상 극복...강도·기능 강화

카이스트는 홍순형 신소재공학과 교수 연구팀이 고분자 기지 내 2차원 나노소재인 그래핀 나노플레이트렛(GNP)을 복합화해 초경량 다기능성 나노복합소재를 개발했다고 5일 밝혔다.

카이스트는 이번 기술이 항공기와 인공위성용 초경량 소재, 전자파 차폐용 스텔스 소재 등 다양한 분야에 적용 가능할 것으로 기대했다.

그래핀 나노플레이트렛는 현존하는 소재 중 가장 물성이 우수한 2차원 나노소재로, 제조 단가를 낮출 수 있는 기술이 개발되면서 상용화가 유망해진 신소재다.

그래핀은 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 개질했다. 멜라민이 가진 벤젠 구조를 이용한 파이 결합을 통해 연구팀은 멜라민을 매개체로 그래핀 나노플레이트렛과 기지소재 사이에 강한 화학결합을 유도했다.

이 기능기화에 의한 표면개질 기술은 재료의 표면에 새로운 특성을 형성해준다. 그래핀 나노플레이트렛 표면에 결함을 만들 필요가 없어 그래핀 나노플레이트렛의 우수한 특성을 최대로 활용할 수 있다.

연구팀은 고에너지 밀링공정 기술을 사용해 그래핀 나노플레이트렛과 기능기화 물질을 화학적으로 강하게 결합했다. 이를 이용해 그래핀 나노플레이트렛을 고분자 소재인 에폭시 내에 균질분산해 항복강도 1.4배, 탄성계수 2배로 강화된 초경량, 다기능성 그래핀-고분자 나노복합소재를 개발했다.

기능기화를 통한 GNP의 표면개질 기술에 대한 개념도와 제조된 나노복 합소재의 기계적 특성 평가 결과.

연구팀의 그래핀 나노복합소재 기술은 비공유 기능기화에 의해 그래핀을 기지 내에 균일하게 분산시킬 수 있다. 생산성을 크게 향상시킨 고에너지 밀링공정 기술을 개발해 물성 향상과 더불어 산업계 상용화 가능성도 높였다.

홍순형 교수는 “항공기 및 인공위성용 초경량 소재, 내습?내산화용 배리어 소재, 투명 유연전자소재, 전자파 차폐용 스텔스 소재 등 다양한 분야에 적용 가능하다”며 “단일 공정을 이용해 그래핀 표면을 개질하고 기지 소재 내 균질 분산시킨 물성이 극대화된 나노복합소재 제조를 위한 원천 기술”이라고 말했다.

김준희 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 재료분야 국제 학술지 ‘파티클' 6월 22일자 표지논문에 선정됐다.