▲ 연구를 이끈 유남호 KIST 박사와 기능화된 그래핀 함량에 따른 고분자 복합소재의 기계적 강도(red) 및 탄성(blue). 그래핀의 함량에 따른 복합소재의 산소 투과도. .

국내 연구진이 산화그래핀을 변형해 강도와 내열성을 향상시킨 고분자 복합재료를 제조했다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 유남호 박사팀은 그래핀을 화학적 방법을 통해 변형시켜 엔지니어링 플라스틱의 하나인 폴리이미드와 화학결합을 유도하고 그래핀을 균일하게 분산 시킬 수 있는 고분자 복합소재 제조 공정을 개발했다고 7일 밝혔다.

이번 개발은 전자소자 기판이나 우주선 등에 쓰이는 폴리이미드 수지로 만든 고분자재료보다 강도와 탄성이 향상됐을 뿐 아니라, 외부 기체 차단성이 240배 높아져 그래핀을 이용한 고분자 복합소재의 상용화를 앞당길 것으로 보인다.

그래핀으로 고분자 복합재료를 제조하기 위해서는 고분자 수지와 충전재가 필요하다. 충전재로 대량이 필요한 그래핀은 분산이 쉽지않아 기계·전기적으로 우수한 특성을 가진 재료임에도 불구하고 고분자 복합재료에 사용하는데 제한이 있었다.

연구팀은 순수한 그래핀을 만들기 위해 흑연을 산화시키고 얻은 산화 그래핀을 화학적으로 환원시켰다.

이 환원 단계에서 환원반응도 진행하면서 그래핀 표면에 고분자 수지와 화학결합을 유도할 수 있는 물질을 도입해 그래핀의 분산성을 향상시켰다.

그래핀 표면을 기능화해 고성능 고분자 폴리이미드와 결합시켜 폴리이미드 위에 그래핀이 균일하게 분산된 고분자 복합재료를 만들 수 있었다.

연구팀은 기능화된 그래핀 입자가 폴리이미드를 구성하고 있는 무수물(dianhydride)과 직접 화학 반응을 할 수 있도록 아미노페닐기(amino phenyl group)가 도입된 그래핀 입자를 용매에 골고루 녹였다.

기능화된 그래핀은 폴리이미드 중합반응을 일으켜 고분자와 그래핀 사이의 공유결합을 유도해 폴리이미드 수지내에 그래핀이 균일하게 분산 된 고분자 복합소재 제조에 성공했다.

이렇게 개발한 소재는 기존의 폴리이미드 고분자 복합소재가 산소 및 수증기 등의 가스를 효과적으로 차단하지 못해 활용이 어려웠던 데 비해 240배 이상의 가스를 차단하는 성과를 보였을 뿐만 아니라 기계적 강도 또한 2배이상 강화됐다.

물질을 감싸는 특성을 가지는 복합수지는 보통 산소나 수분을 차단해 제품의 수명이나 성능을 보호하는 소재로 사용영역은 의약품, 전자제품, 디스플레이 제품 등 다양하다. 또한 첨단 디바이스 재료인 태양전지의 봉지필름, 백시트, 건축용 고진공 단열재, 산업용 포장재 등 광범위하게 활용된다.

KIST 유남호 박사는 “고성능, 기계적 플라스틱에 적합한 그래핀의 개발을 통해 기존 고분자 소재의 낮은 산소 차단성과 기계적 강도를 동시에 향상시킴으로써 디스플레이 소재나 우주항공 및 복합소재 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 보인다”고 연구의의를 밝혔다.

이번 연구는 KIST 기관고유 사업에서 지원됐으며, 연구 결과는 미국 화학회에서 발간하는 재료분야의 권위지인 Chemistry of Materials 3월 24일자 게재됐다.