국립금오공과대학교(총장 김상호)는 은종현 화학소재공학부 교수 연구팀이 탄소나노튜브(CNT)와 표면처리 기술을 결합한 '하이브리드 복합소재'를 개발했다고 19일 밝혔다.
이 하이브리드 복합소재는 낙하·충격·진동 등 외부 충격에 강한 고강도 특성을 지녀, 차세대 경량 구조 소재의 활용 가능성을 열었다는 평가다. 연구성과는 최근 복합재료 분야의 저명 학술지 'Composites Part A'에 온라인 게재됐으며, 오는 7월 오프라인판으로 게재될 예정이다.
최근 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)은 가볍고 높은 강도로 다양한 산업 분야에서 활용되고 있으나, 재료가 갑자기 깨지는 취성 파괴 특성과 높은 비용으로 인한 한계가 있었다.
연구팀은 CFRP와 강철을 결합한 하이브리드 복합소재를 설계, 두 소재의 장점을 동시에 확보하는 전략을 제시했다. 접착층에 다중벽 탄소나노튜브(MWCNTs)를 도입하고, 강철 표면에 물리적 표면처리(PST)를 적용하여 계면 결합력을 획기적으로 향상시켰다.
이 연구결과는 균열 억제 및 에너지 흡수 능력을 크게 개선하는 효과를 나타내 기존 복합소재 대비 굽힘 강도 최대 22.9% 증가, 접합 전단강도 약 170~180% 향상, 충격 에너지 흡수 최대 50% 증가, 층간 파괴 인성(GIC) 최대 1104% 향상이라는 우수한 기계적 성능을 보였다.
특히 여러 층(layer)을 쌓아서 만드는 CFRP와 같은 복합재의 층 사이를 찢어내기 위해 필요한 에너지의 값을 나타내는 '층간 파괴 인성'은 0.101 kJ/m²에서 1.218 kJ/m²로 크게 증가했다. 복합소재의 계면 신뢰성을 획기적으로 개선한 것으로 마치 포스트잇에서 강력양면테이프로 변화한 것과 같다.
또 복합소재 적층 구조에 따라 성능이 크게 달라지는 점도 확인됐다. 강철을 충격 방향에 배치할 경우, 충격 에너지 분산 효과가 극대화되며 손상 면적 감소 및 충돌 후 압축강도(CAI)가 최대 79% 향상되는 것으로 나타났다. 이는 실제 충돌 환경에서 구조 안전성을 크게 향상시킬 수 있음을 의미한다.
은종현 교수는 “탄소나노튜브 기반 나노보강과 표면공학 기술을 결합해 복합소재의 가장 취약한 계면 문제를 효과적으로 해결했다.”며, “향후 자동차, 항공, 방위산업 및 수소 모빌리티 등 다양한 분야에서 경량성과 안전성을 동시에 확보할 수 있는 핵심 소재로 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.
구미=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
