동일재료 합쳐도 다른 복합소재 만들 수 있다

UNIST, 분자 나노복합소재 제조 시 '용매' 영향 규명

UNIST 오솔미 연구원(좌)과 김소연 교수.

【울산=뉴시스】박수지 기자 = 국내 연구진이 최근 주목받고 있는 신소재인 '고분자 나노복합소재'의 성질이 용매에 따라 달라진다는 사실을 밝혀냈다.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지 및 화학공학부 김소연 교수팀이 고분자 나노복합소재 제작 시 사용하는 용매가 전체 소재의 성질에 미치는 영향을 규명했다고 30일 밝혔다.

고분자 나노복합체는 고분자 소재에 나노입자를 혼합해 만든 복합재료다.

이 같은 '용액 혼합 방식(고분자+나노입자)'을 이용하면 부서지기 쉬운 플라스틱도 가벼우면서 단단하게 만들 수 있다.

또한 이 소재는 두 물질이 서로 맞댄 면, 즉 계면 특성에 따라 원하는 성질을 구현할 수 있는 특성이 있다.

그동안 기존에는 혼합하는 물질을 바꾸어가며 계면의 변화를 살펴보는 연구가 많이 진행됐다. 그러나 복합체를 만드는 과정이 계면에 어떤 영향을 주는지에 주목한 연구는 부족했다.

연구진은 계면에 영향을 주는 요소로 '용매'에 주목했다.

용매는 반응 후 제거되므로, 물질계가 반응 전후에 평형을 이루면 어떤 용매를 쓰든 같은 성질의 복합체가 만들어져야 한다.

그런데 실제로는 복합체를 만드는 복잡한 과정을 겪으면 반응 전후에 평형을 이루지 못한다. 즉 용매에 의한 '비평형 효과'가 나타나는 것이다.

계면 층 두께에 따른 고분자 나노복합체 내의 입자 구조 모식도

연구팀은 '똑같은 고분자와 나노입자'로 복합체를 만들면서 '서로 다른 용매'인 물과 에탄올을 이용해, 각 용매가 계면 두께에 미치는 효과를 규명했다.

측정결과 에탄올을 용매로 사용했을 경우 나노 입자에 흡착돼 계면 층을 이루는 고분자의 비율이 약 2배 더 높게 나타났으며, 계면층의 두께도 1㎚(나노미터, 1㎚는 10억분의 1m) 더 두꺼웠다.

1㎚에 불과한 계면의 두께 차이는 전체 복합체의 물성에 영향을 주기에 충분했다.

특히 나노입자가 충분히 많이 포함된 상태에서 길이가 짧은 고분자를 이용해 복합소재를 만들었을 때 성질이 달랐다.

에탄올에서는 입자가 골고루 퍼져 액체에 가까운 성질이 나타난 반면, 물에서는 입자가 뭉침이 일어나 고체에 가까운 성질을 보였다.

김소연 교수는 "똑같은 양의 동일 재료를 이용하더라도 초기 용매에 따라 판이한 상태의 고분자 나노복합체가 제작될 수 있다"며 "이번 발견은 고분자 나노 복합소재를 설계할 때 각 요소의 특성과 더불어 '비평형 효과'도 고려해야 함을 보여준다"고 밝혔다.