국내 연구진이 '꿈의 신소재'로 불리는 그래핀을 고분자물질에 화학결합을 통해 도입, 고기능성 복합재료를 제조하는 기술을 개발했다.

7일 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원 복합소재기술연구소 유남호 박사팀은 그래핀을 화학적으로 변형시켜 엔지니어링 플라스틱인 폴리이미드와 화학결합을 유도, 그래핀이 균일하게 분산된 고분자 복합소재를 제조하는 공정을 개발했다고 밝혔다.

이 연구 결과는 미국 화학회(ACS)가 발간하는 재료분야 학술지 '재료 화학'(Chemistry of Materials, 3월 24일자)에 게재됐다.

▲ 그래핀-폴리이미드 복합소재 제조과정. 산화 그래핀을 화학적으로 환원시키는 동시에 그래핀 표면에 고분자 수지와의 화학결합을 유도할 수 있는 물질(아민기, -NH₂)을 도입한 다음 폴리이미드 원료물질과 용액상태에서 중합반응시켜 고분자 내에 그래핀이 균일하게 분산된 폴리이미드 복합소재를 제조한다.

탄소 원자가 6각형 벌집 모양으로 연결된 2차원 물질인 그래핀은 실리콘보다 100배 빠른 전자이동도, 97.7%의 높은 투명도, 우수한 기계적·물리적·화학적 특성이 있어 이를 플라스틱 등 각종 소재에 도입해 활용하려는 연구가 널리 진행되고 있다.

그러나 그래핀을 고분자에 도입하는 데에는 제약이 있다. 고분자 복합재료를 만들려면 고분자 수지와 충전재로 다량의 그래핀이 필요한데 그래핀이 서로 뭉치는 성질 때문에 고분자 복합재료의 물성이 나빠지는 문제가 생기기 때문이다.

연구진은 이 연구에서 그래핀를 화학적으로 변형시켜 고분자 원료 물질과 화학적으로 결합하게 하는 방법으로 그래핀이 균일하게 분산된 고분자 복합재료를 제조하는 기술을 개발했다.

순수한 그래핀을 만들기 위해 다량의 흑연에서 산화시킨 산화 그래핀을 화학적으로 그래핀으로 환원시키는 동시에 그래핀 표면에 고분자 수지와의 화학결합을 유도할 수 있는 물질(아민기, -NH₂)을 도입했다.

이어 아민기가 붙어 있는 기능화된 그래핀을 엔지니어링 플라스틱의 하나인 폴리이미드 원료 물질과 용액상태에서 중합반응시켜 고분자와 그래핀 간 결합을 유도, 폴리이미드 수지 내에 그래핀이 균일하게 분산된 고분자 복합소재를 만들었다.

고분자 내에 그래핀이 도입된 폴리이미드 복합소재는 기존 폴리이미드 소재보다 산소와 수증기 등 가스를 차단하는 성능이 240배나 우수했으며 기계적인 강도도 2배 이상 높은 것으로 나타났다.

유남호 박사는 "이 연구는 고성능 엔지니어링 플라스틱에 그래핀을 도입하는 기술을 개발, 기존 고분자 소재의 낮은 산소 차단성과 기계적 강도를 동시에 향상시킨 것"이라며 "그래핀을 활용한 디스플레이 소재나 우주항공 복합소재의 상용화를 앞당기는 데 기여할 것"이라고 말했다.

윤승훈 기자  yoon3@a-news.co.kr

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