작성일 : 19-10-31 19:04
UNIST 김소연 교수팀, 고분자 나노복합소재 제조 시 용매 효과 규명 , 동일 소재 합쳐도 '용매'로 다른 소재 만들 수 있다
 글쓴이 : happy
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UNIST의 오솔미 연구원(좌측)과 김소연 교수(우측)<사진=UNIST 제공 >

국내 연구진이 복합소재를 만들 때 사용하는 원재료뿐 아니라 '재료를 만드는 과정'이 소재성능에 영향을 미친다는 사실을 알아냈다.

UNIST(총장 직무대행 이재성)는 김소연 에너지 및 화학공학부 교수팀재료의 최종 구조와 물성을 만드는데 고분자와 나노입자를 혼합하는 '용액 혼합 방식' 중 '용매'가 중요한 역할을 한다는 사실을 규명했다고 30일 밝혔다. 

용액 혼합 방식은 고분자와 나노입자를 용매에 녹여 혼합한 뒤 용매를 증발시켜 복합재료를 얻는 기법으로, 어떤 용매를 사용하는지에 따라 최종 물질의 특성이 달라진다는 설명이다.

고분자 나노복합재는 최근 주목받는 신소재다. 두 물질의 서로 맞댄 면, 즉 계면 특성에 따라 원하는 성질을 구현할 수 있다. 이에 기존에는 혼합하는 물질을 바꿔가며 계면의 변화를 살펴보는 연구가 많이 진행됐다. 하지만 복합체를 만드는 과정이 계면에 어떤 영향을 주는지에 대한 연구는 부족했다.

김 교수팀계면에 영향을 주는 '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 과정으로 인해 반응 전후에 평형을 이루지 못했다. 용매에 의한 '비평형 효과'가 나타나는 것이다. 

연구팀은 '똑같은 고분자와 나노입자'로 복합체를 만들면서 '서로 다른 용매' 물과 에탄올을 이용해, 각 용매가 계면 두께에 미치는 효과를 규명했다. 측정결과 에탄올을 용매로 사용했을 경우 나노 입자에 흡착되어 계면 층을 이루는 고분자의 비율이 약 2배 더 높게 나타났으며, 계면층의 두께도 1nm 더 두꺼웠다. 연구 관계자에 따르면 1nm에 불과한 계면의 두께 차이는 전체 복합체의 물성에 큰 영향을 미친다.

충분한 양의 나노입자와 짧은 사슬 길이를 갖는 고분자를 이용해 에탄올 용매에서 복합체를 만든 경우, 물에서 만든 나노복합체보다 액체에 가까운 성질을 보이는 것도 확인했다. 고분자 사슬이 너무 길면 고분자 사슬간 엉킴으로 인한 나노입자의 뭉침이 심해져 오히려 계면층이 두꺼운 나노복합체가 더 단단해지는 현상도 발견했다.

김소연 교수"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 설명했다.

연구결과는 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters) 10월 17일자에 게재됐다. 

1nm는 눈으로 확인할 수 없을 정도의 작은 차이지만 전체 복합체의 물성에 영향을 주기에 충분했다.