▲ 고분자 복합재의 열적 한계와 CNT 나노케이지 기반 물리적 구속 개념

국내 연구진이 고분자 사슬을 ‘나노 감옥’에 가두는 방식으로 플라스틱 복합재가 1,000℃ 화염과 항공엔진급 고온에서도 구조적 안정성을 유지할 수 있음을 입증해 항공엔진·가스터빈·차세대 모빌리티 등 산업에 필요한 고온·경량 소재 개발에 기여할 전망이다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 한국재료연구원 오영석 박사 연구팀이 3차원 탄소나노튜브(CNT) 기반 ‘나노케이지(Nanocage)’ 구조를 설계·제작하고, 이를 통해 고분자 사슬의 열적 운동을 물리적으로 제어함으로써 고분자 복합재의 내열 한계를 획기적으로 향상시키는 데 성공했다고 3일 밝혔다.

고분자 복합재는 가볍고 가공성이 뛰어나 차세대 구조 소재로 주목받아 왔으나, 유리전이온도(Tg) 이상에서 분자 운동성이 급격히 증가해 고온에서 구조적 안정성을 유지하기 어렵다는 한계가 있었다. 이로 인해 실제 고온 부재 영역에서는 여전히 티타늄 합금 등 금속 소재가 주로 사용된다.

이를 극복하기 위해 나노필러 도입 등 다양한 연구가 진행됐으나 필러의 불균일한 분산 등으로 인해 나노구속 효과를 효과적으로 구현하기 어려웠다.

이에 연구팀은 문제의 원인이 유리전이온도 이상에서 발생하는 사슬의 자유로운 운동성에 있음을 주목하고, 이를 화학적 결합이 아닌 물리적 구속 구조 설계를 통해 해결하고자 했다.

단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)를 그물망 형태로 얽은 ‘나노케이지’ 구조 내부에 고분자 사슬을 침투시킨 결과, 나노케이지 기공이 사슬의 협동 재배열 영역보다 작을 경우 열적 운동이 극도로 억제됨을 실험적으로 규명했다.

이를 통해 유리전이온도를 기존 대비 약 119% 향상된 350℃(고분자 자체의 열분해 온도)까지 끌어올렸으며, 고온 탄성률 유지, 크리프 저항성, 우수한 내화·난연 성능을 동시에 확보했다. 약 1000℃ 화염 환경에서도 구조적 붕괴와 급격한 열방출이 억제됨을 확인함으로써, 고온 구조 부재로서의 실질적인 적용 가능성을 실험적으로 입증했다.

이번 연구는 고분자 복합재의 사용 온도를 획기적으로 확장해 차세대 항공엔진 및 가스터빈용 부품으로 활용할 수 있는 기술적 기반을 마련했다는데 의미가 있다. 특히 나노케이지 기반 복합재는 금속 대비 현저히 가벼워 엔진 경량화를 통한 연료 효율 및 성능 개선이 기대된다.

이에 수 백℃ 이상의 고온과 열충격에 노출되는 초음속 비행체 구조물은 물론, 전기차 배터리팩 등 미래 모빌리티 분야에서 화재 확산을 지연시키는 안전 소재로도 활용 가능성이 높다.

오영석 박사는 “폴리이미드 등 고내열 수지와 복합화해 유리전이온도를 500℃ 수준까지 높이고, 탄소섬유와 결합해 실제 부품 환경에서의 장기 신뢰성과 공정 안정성을 검증할 예정”이라며, “대형 부품 제조를 위한 공정 확장성과 경제성 확보를 통해 실용화 단계를 밟을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

한편 이번 연구 성과는 복합재 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 컴포짓 앤드 하이브리드 머터리얼즈(Advanced Composites and Hybrid Materials)’에 1월10일 온라인 게재됐다.