울산과학기술원이 복합재료의 특성 구현에서 원재료 뿐 아니라 '재료를 만드는 과정'도 한 몫 한다는 사실을 입증했다.
울산과학기술원(UNIST·총장 직무대행 이재성)은 김소연 에너지 및 화학공학부 교수팀이 고분자와 나노입자를 혼합하는 '용액 혼합 방식'에서 '용매'가 고분자복합재의 최종 구조와 물성에 중요한 영향을 끼친다는 점을 규명했다고 30일 밝혔다.
용액 혼합 방식은 고분자와 나노입자를 용매에 녹여 혼합한 뒤 용매를 증발시켜 복합재료를 얻는 기법이다. 이 때 어떤 용매를 사용하는지에 따라 최종 물질의 특성이 달라진다는 사실을 규명한 것이다.
고분자 나노복합체는 두 물질이 서로 맞댄 면, 즉 계면 특성에 따라 원하는 성질을 구현할 수 있는 신소재다. 하지만 복합체를 만드는 과정이 계면 특성에 어떤 영향을 주는지에 관한 연구는 부족했다.
김 교수팀은 계면에 영향을 주는 요소로 '용매'에 주목했다. '똑같은 고분자와 나노입자'로 복합체를 만들면서 '서로 다른 용매'인 물과 에탄올을 이용, 각 용매가 계면 두께에 미치는 효과를 규명했다.
측정 결과 에탄올을 용매로 사용하면 나노 입자에 흡착돼 계면 층을 이루는 고분자 비율이 약 2배 더 높게 나타났다. 계면층 두께도 1nm 더 두꺼웠다. 1nm 두께 차이는 전체 복합체의 물성에 큰 영향을 미친다.
충분한 양의 나노입자와 짧은 사슬 길이를 갖는 고분자를 이용해 에탄올 용매에서 복합체를 만들 때 물에서 만든 나노복합체보다 액체에 더 가까운 성질을 나타낸다는 점도 확인했다. 계면층에 두텁게 붙은 고분자 간 반발력(입체반발력)으로 전체 입자들이 골고루 퍼지는 현상이 생겼다.
김 교수는 “똑같은 양의 동일한 재료를 이용하더라도 초기 용매에 따라 판이한 상태의 고분자 나노복합체를 제작할 수 있다”며 “고분자 나노 복합소재를 설계할 때 각 요소의 특성과 더불어 '비평형 효과'도 고려해야 한다”고 말했다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com
