그래핀의 가장 유망한 응용분야 중 하나인 그래핀 기반 고분자 복합소재는 관련 분야에서 향후 가장 큰 시장을 형성할 것으로 기대되는 분야 중 하나다. 그래핀 기반 고분자 복합소재의 상용화에 있어, 그래핀 입자를 균일하게 분산시키기 위한 분산제 및 용매의 건조 공정에서 소요되는 시간과 이 때 발생하는 그래핀 입자의 재응집이 걸림돌로 지목되어 왔다. 국내 연구진이 그래핀 입자를 더 균일하게 용매없이 분산할 수 있는 경제적 공정을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 김성륜 박사팀은 서울대 재료공학부 윤재륜 교수팀과 함께 꿈의 신소재인 그래핀에 용매를 사용하지 않고 균일하게 분산 시킬 수 있는 고분자 복합소재 제조 공정을 개발했다.

그래핀 고분자 복합소재는 가열하는 용융공정으로는 그래핀 입자를 균일하게 분산시키기 어렵다. 그래핀 입자의 균일한 분산을 위해 용액공정을 도입할 경우 비경제적일 뿐만 아니라 용매의 건조를 위한 후공정에서 발생하는 그래핀 입자의 재응집에 필요한 비용과 시간 때문에 상용화에 어려움이 있었다. 그래핀 입자가 균일하게 분산되지 않으면 후에 결함의 주요 원인이 된다.

서로 반응이 가능한 소중합체의 일종인 CBT(Cyclic butylene terephthalate)는 최초 용융 시 액체처럼 잘 흐르다가 열을 가하면 중합되어 고분자가 되는 특징이 있다. 연구팀은 CBT 입자를 그래핀 입자와 섞은 후(Powder mixing) 중합반응을 일으켜 용매를 사용하지 않고 그래핀이 균일하게 분산 된 고분자 복합소재 제조에 성공했다.

뿐만 아니라, 이렇게 제조한 그래핀 복합소재의 단면을 이미지 처리 (Image processing) 한 후, 통계를 산출해 그래핀 입자 간 평균거리 및 표준편차를 구하여 그래핀 입자의 분산 정도를 정량적으로 평가하는 방법 또한 개발했다.

이를 통해, 그 동안 어려움을 겪고 있던 그래핀 복합소재의 정밀한 분산 평가를 위한 분석 평가 방법이 도출뿐 아니라, 연구팀의 공정으로 제작한 그래핀 복합재료가 기존 용매 공정에 비해 훨씬 고르게 분산되었음을 정량적으로 확인할 수 있었다.

KIST 김성륜 박사는 “혁신적이고 효율적인 비용매 복합소재 제조공정 개발로 그래핀 고분자 복합소재 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 보인다”고 연구의의를 밝혔다.

이번 연구는 KIST 기관고유연구사업, 나노융합 2020사업(미래창조과학부 및 산업통상자원부 공동 지원)에서 지원되었으며, 연구 결과는 사이언티픽 리포트(Scientific R eports) 3월 16일자 게재되었다.

* (논문명) "Ultra-high dispersion of graphene in polymer composite via solvent free fabrication and functionalization"

- (제1저자) 한국과학기술연구원 노예지 연구원

- (교신저자) 한국과학기술연구원 김성륜 박사

- (교신저자) 서울대학교 윤재륜 교수