연구 구상도 / 사진. 한국연구재단
한국연구재단이 한국재료연구원 오영석 박사 연구팀을 통해 3차원 탄소나노튜브(이하 CNT) 기반 ‘나노케이지(Nanocage)’ 구조를 설계·제작하고, 이를 통해 고분자 복합재의 내열 한계를 크게 향상시키는 데 성공했다고 밝혔다.
고분자 복합재는 경량성과 가공성 측면에서 차세대 구조 소재로 주목받아 왔지만, 유리전이온도(이하 Tg) 이상에서 고분자 사슬의 열적 운동성이 급격히 증가하면서 고온 환경에서 구조적 안정성을 유지하기 어렵다는 한계가 있었다. 이 때문에 항공엔진이나 가스터빈과 같은 고온 부재 영역에서는 여전히 티타늄 합금 등 금속 소재가 주로 사용돼 왔다.
연구팀은 문제의 근본 원인을 사슬의 자유로운 운동성에 두고, 화학 구조 변경이 아닌 ‘물리적 구속’이라는 접근을 택했다. 단일벽 CNT를 3차원 그물망 형태로 얽어 기공 크기를 수 나노미터 수준으로 제어한 나노케이지를 제작하고, 그 내부에 수지를 침투시켜 상호침투형 복합 구조를 구현했다. 이 과정에서 CNT 체적분율을 최대 70 vol%까지 확보하면서도 연속 네트워크를 유지했다.
실험 결과, 나노케이지 기공이 고분자 사슬의 협동 재배열 영역(CRR)보다 작을 경우 사슬의 열적 운동이 극도로 억제되는 것으로 나타났다. 그 결과, 기존 에폭시 수지의 Tg 약 160℃ 대비 약 119% 향상된 350℃까지 Tg를 끌어올렸다. 이는 고분자 자체의 열분해 온도에 근접한 수준이다.
또한 300℃ 이상의 고온에서도 탄성률을 안정적으로 유지했고, 열팽창계수는 약 10 ppm/℃ 수준으로 감소해 치수 안정성을 확보했다. 200~300℃ 조건의 크리프 시험에서도 변형률 1% 이하를 유지했다. 더불어 약 1,000℃ 화염 노출 환경에서 열방출률이 약 98% 감소하는 등 내화·난연 성능 역시 입증했다.
연구팀은 나노케이지 기반 복합재를 탄소섬유 직물과 결합해 다중 스케일 하이브리드 복합재로 확장했으며, 370℃ 환경에서도 초기 탄성률의 90% 이상을 유지해 상용 티타늄 합금 대비 우수한 고온 구조 안정성을 보였다고 설명했다.
이번 연구는 항공엔진 케이싱, 고온 덕트, 가스터빈 부품 등 고온 경량 구조 부품으로의 적용 가능성을 제시한다. 금속 대비 경량화가 가능해 연료 효율과 시스템 성능 개선에 기여할 수 있다는 평가다. 초음속 비행체 구조물이나 전기차 배터리팩 등 화재 확산 억제가 요구되는 분야에서도 안전 소재로 활용 가능성이 높다.
오영석 박사는 “폴리이미드 등 고내열 수지와 복합화해 Tg를 500℃ 수준까지 높이고, 탄소섬유와 결합해 실제 부품 환경에서의 장기 신뢰성과 공정 안정성을 검증할 예정”이라며 “대형 부품 제조를 위한 공정 확장성과 경제성을 확보해 실용화 단계로 나아갈 것”이라고 밝혔다.
이번 연구 성과는 복합재 분야 국제학술지 ‘Advanced Composites and Hybrid Materials’에 지난 1월 온라인 게재됐다.
