첨단세라믹스   나노

KAIST 홍순형 교수팀

탄소나노튜브 나노복합재료 분자수준 합성공정 세계최초 개발
고강도·디스플레이·전자파차폐 소재 등 광범위한 응용 가능

한국과학기술원 신소재공학과 홍순형교수 연구팀이 최근 차세대 탄소나노튜브 나노복합재료를 제조하기 위한 새로운 분자수준 합성공정을 세계 최초로 개발하는데 성공했다. 이번 연구개발은 과학기술부의 ‘21세기 프론티어 연구개발사업’의 지원으로 이루어진 것이다.
이번 개발로 탄소나노튜브를 이용한 나노복합재료 제조에 있어서 가장 큰 걸림돌이 되어왔던 분산과 혼합 문제가 해결되었으며, 탄소나노튜브(Carbon Nanotube)의 우수한 강도와 열 및 전기전도도, 전계방출 특성을 이용한 나노복합재료 신소재를 제조할 수 있는 원천기술이 확보됐다.
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 대안으로서 탄소나노튜브를 기존 소재내에 분산시키는 방법이 제시되고 있다.
최근 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.
개발된 신공정으로 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 고강도, 고탄성, 내마모 구조용 소재로서 응용이 가능하다. 개발된 신공정은 금속, 세라믹, 고분자 등 다양한 소재에 적용이 가능하며, 탄소나노튜브/알루미나 나노복합재료의 경우, 탄소나노튜브를 0.5% 분산시킨 경우 알루미나에 비해 경도의 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 참여기업인 일진나노텍(주)(대표이사 신택중)과 함께 진행 중에 있으며, 차세대 디스플레이 소재로 응용하기 위한 연구를 계획하고 있다, 이와 같은 연구가 성공적으로 진행되는 경우, 꿈의 소재로 알려져 있는 나노복합재료의 실용화도 곧 실현될 수 있을 것으로 기대된다. 향후 수년 내 실용화될 제품은 2010년 경 400억 달러 규모의 세계시장이 예측되는 커넥터 소재로 전망된다.
한편 이번 연구 결과는 소재분야 저명 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials)´에 게재되었으며, 동시에 한국, 미국, 일본, 유럽 등에 개발기술이 특허로 출원됐다.

박미선기자