초경량 다기능성 2차원 그래핀 나노 복합소재 개발
초경량 다기능성 2차원 그래핀 나노 복합소재 개발
  • 김진솔
  • 승인 2018.08.06 17:00
  • 조회수 485
  • 댓글 0
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KAIST 신소재공학과 홍순형 교수 연구팀이 항공기 및 인공위성용 초경량 소재, 전자파 차폐용 스텔스 소재 등 다양한 분야에 적용 가능한 초경량 다기능성 나노복합소재를 개발했다는 소식입니다. 연구진은 2차원 나노소재 그래핀 나노플레이트렛 (GNP)을 복합화했습니다.

 

Particle지 표지에 실린 연구. 출처: KAIST

재료분야 국제 학술지 <Particle & Particle Systems Characterization> 6월 22일자 표지 논문에 선정된 이번 연구는 김준희 박사과정이 1저자로 참여했습니다. 그래핀 나노플레이트렛은 현존하는 소재 중 가장 물성이 우수한 2차원 나노소재로 제조 단가를 낮출 수 있는 기술이 개발되면서 상용화가 유망해진 신소재입니다. 

 

최근 그래핀 연구가 활발히 진행되면서 기존 소재와 혼합된 복합소재로 다양한 상업적 응용 가능성이 커지고 있지만 기지에 첨가시 응집현상이 일어나는 단점이 있어 기존 강화재료에 비해 경쟁력이 부족했습니다.

 

연구팀은 문제 해결을 위해 기지 내 그래핀 나노플레이트렛의 표면에 새로운 특성을 형성해 사용 조건을 만족시키는 기능을 부여하는 기술입니다. 표면을 기능기화 물질인 멜라민으로 개질(改質)했다고 표현하는데요. 그래핀이 가진 벤젠 구조를 이용한 파이 결합(π-π)을 통해 연구팀은 멜라민을 매개체로 그래핀 나노플레이트렛과 기지소재 사이에 강한 화학결합을 유도했어요. 이 기술을 통하면 그래핀 나노플레이트렛 표면에 결함을 만들어 줄 필요가 없어 그래핀 나노플레이트렛의 우수한 특성을 최대로 활용할 수 있다고 합니다.

 

그래핀의 시대가 다가오고 있습니다. 출처: fotolia
그래핀의 시대가 다가오고 있습니다. 출처: fotolia

나노 입자들은 균일하게 분산시키기가 힘든데요. 그 이유는 나노입자들의 표면 에너지가 높아 서로 간의 응집이 생겨 균일한 분산이 제한되며 입자들끼리 뭉치게 되기 때문입니다. 연구팀은 고에너지 밀링공정 기술을 사용해 그래핀 나노플레이트렛과 기능기화 물질을 서로 화학적으로 강하게 결합하고, 이를 이용해 그래핀 나노플레이트렛을 고분자 소재인 에폭시 내에 균질분산시켜 항복강도 1.4배, 탄성계수 2배로 강화된 초경량, 다기능성 그래핀-고분자 나노복합소재를 개발했습니다.

 

연구팀의 그래핀 나노복합소재 기술은 비공유 기능기화로 그래핀을 기지 내에 균일하게 분산시킬 수 있으며, 생산성을 크게 향상시킨 고에너지 밀링공정 기술을 개발해 물성 향상과 더불어 산업계 상용화 가능성을 높였습니다.

 

이번 연구는 주목받는 신소재인 그래핀 나노플레이트렛의 응집 현상을 기능기화 공정을 통해 해결하는 동시에 그래핀 나노복합소재의 상용화 가능성을 제시했다는 면에서 의미를 갖는다고 합니다.

 

홍순형 교수 출처: KAIST
홍순형 교수. 안녕하세요~ 출처: KAIST

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 말했습니다.

 

##참고자료##

 

Kim, Joonhui, et al. "Polymer Nanocomposites: Fabrication of Graphene Nanoplatelet/Epoxy Nanocomposites for Lightweight and High‐Strength Structural Applications (Part. Part. Syst. Charact. 6/2018)." Particle & Particle Systems Characterization 35.6 (2018): 1870016.



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