‘탄소나노튜브 나노복합재료’ 신공정 개발
KAIST 신소재공학과 복합재료연구실 연구팀 사진(좌로부터 대학원생 김경태씨, 홍순형 교수, 차승일 박사, 대학원생 모찬빈, 유민규, 이경호씨)
※ 탄소나노튜브는 철강 소재의 수배에 달하는 우수한 강도와 탄성, 다이아몬드와 비슷한 최고 수준의 열전도도와 금속에 필적하는 높은 전기전도도를 보이고 있으며, 현존하는 물질 중에 전계방출 효율이 가장 탁월한 소재로 알려져 있다. 따라서, 기존소재의 물성을 획기적으로 개선시킬 수 있는 대안으로 탄소나노튜브를 기존소재내에 분산시키는 방법이 제시되고 있으며 세계 각국은 탄소나노튜브를 금속, 세라믹 혹은 고분자 등 기존 소재에 분산시킨 나노복합재료 개발연구에 많은 투자를 하고 있다. 그러나, 기존의 공정으로는 탄소나노튜브의 강한 응집성 때문에 발생하는 기존 소재내 탄소나노튜브의 불균질한 분산과 혼합문제의 해결이 불가능하여 나노복합재료의 개발이 지연되어 왔다.
탄소나노튜브가 서로 응집되는 기존 공정의 한계를 극복하기 위하여, 홍순형 교수 연구팀에서는 탄소나노튜브의 표면을 화학적으로 처리하고 이를 기지이온과 분자수준에서 결합시킴으로써 탄소나노튜브가 기지 내에 균일하게 분산된 나노복합재료를 제조하는 독창적인 신공정을 최초로 개발하여 과학계의 주목을 받고 있다.
본 연구개발에는 KAIST 신소재공학과 복합재료연구실의 연구원인 차승일 박사와, 박사과정 학생인 김경태, 모찬빈, 정용진씨 등이 큰 기여를 하였다.
새로운 공정으로 제조된 탄소나노튜브/구리(Cu) 나노복합재료의 경우, 탄소나노튜브를 약 2% 분산시켰을 때 구리에 비해 강도가 2배 이상, 탄성계수는 50% 이상, 내마모 성능은 약 3배 이상 향상되어 획기적인 물성 향상이 확인되었으며 이를 응용하면 고강도, 고탄성, 내마모 구조용 소재 개발이 가능하다.
또한 금속, 세라믹, 고분자등 다양한 소재에 적용이 가능하여 탄소나노튜브/알루미나 나노복합재료의 경우, 탄소나노튜브를 0.5% 분산시킨 경우 알루미나에 비해 경도 10% 향상과 동시에 인성이 50% 이상 향상되는 우수한 결과를 얻었다.
홍순형 교수 연구팀에서는 개발된 원천기술을 이용하여 나노복합재료를 고강도 내마모 소재, 전자기파 차폐소재 등으로 응용하기 위한 연구를 진행 중에 있으며, 차세대 디스플레이 소재로 응용하기 위한 연구를 계획하고 있다.
이와 같은 연구가 성공적으로 진행되는 경우, “꿈의 소재”로 알려져 있는 나노복합재료의 실용화도 곧 실현될 수 있을 것으로 기대된다. 2010년경 400억 달러 규모의 세계시장이 예상되는 커넥터 소재의 경우 향후 수년 내에 실용화될 것으로 전망된다.
이와 같은 연구 결과는 향후 나노입자, 나노튜브, 나노막대등 나노구조물을 이용한 다양한 나노복합재료의 제조에 응용할 수 있어 산업계에서 요구하는 고성능, 신기능 부품소재 개발에 필수적인 원천기술을 확보하였다는 점에서 의의가 매우 크다. 본 연구성과는 상대적으로 취약한 국내의 부품소재 제조기술을 나노기술과의 융합을 통해 한 단계 발전시킨 것으로, 국내 부품소재 산업분야의 경쟁력을 향상시키는데 기여한 연구사례로 높이 평가된다.
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