항공우주 복합소재용 고내열 수지 제조 원천기술 개발

 

- 산화 그래핀의 기능화를 통해 고내열 고강도 고분자 수지 제조 원천기술 개발 
- 고내열 수지와 고강도 탄소섬유의 복합화를 통해 항공우주용 초고강도 탄소복합소재 상용화를 앞당기는 혁신적 기술 개발

 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.

 

 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 개발했다.

 

 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 기대 된다.

 

 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.

 

 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"