비행기, 자동차 등 경량화… 연비 향상, 이산화탄소 배출 저감 등 효과 기대

전 세계적으로 자동차, 우주항공 등에서 경량화를 통한 연비 향상과 이산화탄소 배출량을 감소시키기 위하여 탄소복합소재의 활용에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.

국내 기업들은 탄소섬유의 저가화 및 고강도화에 대한 투자와 생산을 늘리고 있으나, 탄소복합소재의 다양한 응용범위에 맞는 에폭시 수지의 개발은 미진한 상황이었다.

이러한 가운데 국내 연구진이 저가의 범용 에폭시 수지를 이용해 열에 잘 견디면서 튼튼한 탄소복합소재를 만드는 기술을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 탄소융합소재연구센터 고문주 박사팀은 산화 그래핀을 화학적 방법을 통해 기능화하고 저가의 범용에폭시와 혼합하여 고내열 고강도 성능을 구현하는 원천 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.

탄소섬유와 고분자 수지의 복합화를 통해 얻는 탄소복합소재는 비행기, 자동차, 자전거, 로켓 등을 경량화해 연비 향상, 이산화탄소 배출 저감 등의 효과를 낼 것으로 기대되고 있다.

탄소섬유와 고분자수지의 복합화로 얻어진 탄소복합소재는 비행기, 자동차, 자전거, 로켓 등의 경량화를 시킬 수 있어 연비향상 뿐 아니라 지구온난화의 주요 원인인 이산화탄소 배출을 줄일 수 있을 것으로 기대되고 있다.

고분자 수지 중 에폭시 수지는 탄소복합소재의 구조를 안정시키는 역할을 담당하는 물질로서 탄소복합소재의 응용분야를 확대하기 위해서는 다양한 종류의 에폭시 수지가 요구되고 있다.

지금까지 항공우주용 고내열 에폭시 수지의 경우는 전량 선진국에서 수입한 고가의 특수 에폭시를 사용해 왔으나, 국내연구진이 저가의 범용에폭시 수지에 산화 그래핀 유도체를 첨가하여 고내열성능을 구현하는데 성공했다.

KIST 고문주 박사 팀은 에폭시 수지의 경화에 사용되는 분자를 화학적으로 도입한 기능화 산화 그래핀은 저가의 범용 에폭시 수지와 혼합 사용하여도, 고내열 성능과 고강도 특성을 얻을 수 있음을 밝혀냈다.

▲  KIST 고문주 박사 팀은 산화 그래핀 주위에 존재하는 다량의 아민 그룹이 에폭시 수지와 결합하여 많은 가교결합을 통해 가교 밀도가 약 240% 향상되는 것을 밝혀냈다.  © TIN 뉴스

고문주 박사팀은 산화그래핀에 에폭시 수지와 가교결합을 형성 할 수 있는 아민 그룹(amine group)을 도입하여, 산화 그래핀 주위에 존재하는 다량의 아민 그룹이 에폭시 수지와 결합하여 많은 가교결합을 통해 가교 밀도가 약 240% 향상되는 것을 밝혀냈다.

연구팀은 에폭시 수지와 가교결합을 하고 있는 산화 그래핀은 에폭시 수지의 강도와 열적 성질을 크게 향상시켰다고 밝혔다.

본 연구결과는 고내열성능을 요구하는 분야로의 탄소복합소재 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 보인다. 또한, 고성능의 에폭시 수지의 합성설계에 필요한 원천기술을 확보함으로서, 국내의 탄소섬유와 에폭시 수지 분야 연구불균형 해소에 크게 기여할 것으로 보인다.

이번 연구는 KIST 기관고유연구사업에서 지원되었으며, 연구 결과는 영국왕립화학회에서 발간하는 고분자분야의 권위지인 Polymer Chemistry 표지논문으로 12월 16일자 게재되었다.

* (논문명) “Enhancement of the crosslink density, glass transition temperature, and strength of epoxy resin by using functionalized graphene oxide co-curing agents”

김상현 기자 tinnews@tinnews.co.kr

▲  기능화 산화그래핀을 이용한 고내열 수지와 이를 이용한 항공우주용 초고강도 복합소재의 모식도   © TIN 뉴스

연구결과  개요

Enhancement of the crosslink density, glass transition temperature, and strength of epoxy resin by using functionalized graphene oxide co-curing agents

Jin Won Yu, Jin Jung, Yong-Mun Choi, Jae Hun Choi, Jaesang Yu,
Jae Kwan Lee, Nam-Ho You and Munju Goh

Polymer Chemistry, 27, 2040-2047, (2015)

1. 연구배경

에폭시 수지는 가장 일반적인 열경화성 수지로, 경화가 되면 삼차원 망상 구조를 갖는다. 에폭시 수지는 내부식성 내열성 내화학성이 좋고 기계적 성질이 뛰어나기 때문에 복합소재 및 전기전자 분야에서 널리 사용되고 있다.

하지만 이러한 우수한 특성을 가지고 있음에도 불구하고, 보다 향상된 극한 기능성의 에폭시 수지를 요구하고 있다. 예로, 비행기나 우주선에 쓰이는 재료는 열적 특성이 뛰어나야 하며 자동차 및 건설에서 쓰이는 재료는 기계적 특성이 높아야 한다.

에폭시 수지의 열적 및 기계적 특성을 증가시키기 위해서 가장 중요한 것은 수지의 가교밀도를 증가시키는 것이다. 에폭시 수지의 가교밀도가 낮을 경우 물성이 저하되고, 가교 밀도가 높을시 그에 따라 수지의 물성이 증가한다.

따라서, 가교 밀도를 높이기 위해 에폭시 고분자의 구조를 변형시키는 연구들이 진행되어 왔다. 예를 들어, 3,4관능기 에폭시, 노블락 에폭시 등이 있다. 하지만 고분자의 구조 변형만으로는 물성 증가에 한계가 있기 때문에 나노필러를 첨가하여 에폭시 수지의 가교 밀도 및 물성을 증가 시키려는 연구가 활발히 진행되고 있다.

2. 연구내용
흑연에서 제조 되어진 산화그래핀은 많은 기능성 분자를 도입 할 수 있는 장점을 갖는다. 본 연구에서는 산화그래핀에 에폭시 수지와 가교결합을 형성 할 수 있는 아민 그룹(amine group)을 도입하였다. 산화 그래핀 주위에 존재하는 다량의 아민 그룹이 에폭시 수지와 결합하여 많은 가교결합을 통하여 가교 밀도를 240% 향상 시킴을 알았다. 에폭시 수지와 가교결합을 하고 있는 산화 그래핀은 에폭시 수지의 강도와 열적 성질을 크게 향상시킴을 알았다.

3. 기대효과
 본 연구결과는 고내열성능을 요구하는 분야로의 탄소복합소재 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 보인다. 또한, 고성능의 에폭시 수지의 합성설계에 필요한 원천기술 확보함으로서, 국내의 탄소섬유와 에폭시 수지 분야 연구불균형 해소에 크게 기여할 것으로 보인다.

용어 설명

1. 그래핀(Graphene)

그래핀은 자연 공물인 흑연의 표면을 한겹만 떼어낸 탄소 나노물질로 탄소 원자가 6각형 벌집 모양으로 연결된 판상 형태의 물질이다. 실리콘에 비해 100배 빠른 전자 이동도, 97.7%에 달하는 높은 투명도 및 우수한 기계적, 물리적, 화학적 특성들을 보여 ‘꿈의 신소재’라 불린다. 그래핀은 우수한 전기적 기계적 특성으로 인하여 최근 여러 산업분야에서 주목을 받고있는 차세대 소재로 주목을 받고 있다.

2. 에폭시 수지

에폭시란 희랍어의 "넘어서"또는 "사이에"란 뜻과 영어의 "산소"의 합성어로서, 산소를 사이에 둔 화합물을 말하며, 에폭시드라는 3원환 구조를 갖는 화합물의 총칭이다.

즉 에폭시 수지는 구성하고 있는 분자의 화학적인 단위로서 반드시 에폭시결합을 갖고 있으며 제법으로 에피클로로히드린과 비스페놀 A를 중합하여 만들어지며 일반적인 에폭시 수지는 고분자(polymer)로 표현하기엔 분자량이 작으며 올리고머라(고분자 보다 분자량이 적은 단량체) 표현하는 것이 바람직 할 것이다.

타 열경화성 수지와 달리 에폭시 (주제) 단독으로 가열이나 가압에 의하여 경화가 일어나지 않으며 아민류, 산무수물, 금속염, 루이스 산등의 경화제에 의하여 상온 또는 가열을 통하여 3차원적 망상구조의 단단한 고분자가 형성 되는 것이 특징이다.

3. 복합소재(Composite)

복합소재란 두 가지 이상의 재료가 조합되어 물리적화학적으로 서로 다른 상(Phase)을 형성하면서 보다 유효한 기능을 발현하는 재료를 말한다. 강화재의 구조에 따라 섬유강화 복합재료(Fibrous composite), 입자강화 복합재료(Particulate composite)로 구분되고 강화는 재료(Matrix:기지재료)에 따라 고분자복합재료(Polymer matrix composite), 금속복합재료(Metal matrix composite) 및 세라믹복합재료(Ceramic matrix composite)로 나누어진다.

* 자료출처 : tinnews 바로가기