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'고분자 나노복합체' 만드는 과정서도 특성 바뀐다

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'고분자 나노복합체' 만드는 과정서도 특성 바뀐다

2019.10.30 12:18
김소연 울산과학기술원(UNIST) 에너지및화학공학부 교수 연구팀은 고분자와 나노입자를 혼합하는 ‘용액혼합방식’에서 용매가 고분자 나노복합체의 최종 구조와 물성에 중요하게 작용한다는 사실을 알아냈다. 좌측은 함께 연구에 참여한 오솔미 연구원이다. UNIST 제공
김소연 울산과학기술원(UNIST) 에너지및화학공학부 교수 연구팀은 고분자와 나노입자를 혼합하는 ‘용액혼합방식’에서 용매가 고분자 나노복합체의 최종 구조와 물성에 중요하게 작용한다는 사실을 알아냈다. 좌측은 함께 연구에 참여한 오솔미 연구원이다. UNIST 제공

고분자 나노복합체는 고분자 소재에 나노입자를 더한 신소재다. 예를 들어 고분자 소재인 플라스틱에 나노입자를 더해 플라스틱의 강도를 높여 가볍고 단단한 플라스틱을 만드는 식이다. 어떤 재료를 쓰냐에 따라 원하는 특성을 구현할 수 있어 최근 주목받고 있다. 국내 연구팀이 이런 고분자 나노복합체가 재료뿐 아니라 만드는 과정에 의해서도 특성이 바뀔 수 있다는 사실을 밝혔다.   


울산과학기술원(UNIST)은 김소연 에너지및화학공학부 교수 연구팀이 고분자와 나노입자를 혼합하는 ‘용액혼합방식’에서 용매가 고분자 나노복합체의 최종 구조와 물성에 중요하게 작용한다는 사실을 알아냈다고 30일 밝혔다.


용액혼합방식은 고분자와 나노입자를 용매에 녹여 혼합한 뒤 용매를 증발시켜 복합재료를 얻는 기법이다. 용매는 반응 후 제거때문에 물질계가 반응 전후에 평형을 이루면 어떤 용매를 쓰든 같은 성질의 복합체가 만들어져야 한다. 하지만 실제로는 복합체를 만드는 복잡한 과정으로 인해 반응 전후 평형을 이루지 못한다. 용매에 의한 ‘비평형 효과’가 나타난다. 


연구팀은 용매에 따라 고분자 나노복합체의 최종 구조와 물성이 달라지는지 알아보기 위해 똑같은 고분자와 나노입자로 고분자 나노복합체를 만들었다. 그런 다음 서로 다른 용매인 물과 에탄올을 이용해 각 용매가 미치는 효과를 조사했다. 


그 결과 에탄올을 용매로 사용했을 경우 나노 입자에 흡착되어 계면 층을 이루는 고분자의 비율이 물을 용매로 사용했을 경우보다 약 2배 더 높게 나타났다. 계면층의 두께는 1 나노미터(nm, 1nm는 10억 분의 1m) 더 두꺼웠다. 연구팀은 “고분자 나노 복합체를 만들 때 두 재료가 서로 맞댄 면에 따라 원하는 성질을 구현할 수 있다”며 “계면의 두께 차이가 1nm에 불과하더라도 전체 복합체의 물성에 영향을 주기에 충분하다”고 설명했다.


실제 연구팀이 충분한 양의 나노입자와 짧은 사슬 길이를 갖는 고분자를 이용해 에탄올 용매에서 복합체를 만든 경우 물에서 만든 나노복합체보다 액체에 가까운 성질을 보인 것으로 확인됐다. 계면층에 두텁게 붙은 고분자들의 서로간 반발력(입체반발력)에 의해서 전체 입자들이 골고루 퍼지는 현상이 생기기 때문이라고 연구팀은 설명했다. 물에서 제조된 복합체의 경우 전체 입자들이 퍼짐이 불규칙해 유리처럼 딱딱한 성질이 더 강한 것으로 나타났다. 고분자 사슬이 길수록 사슬간 엉킴으로 인한 나노입자의 뭉침이 심해져 오히려 계면층이 두꺼운 나노복합체가 더 단단해지는 현상도 확인했다.


김 교수는 “똑같은 양의 동일 재료를 이용하더라도 초기 용매에 따라 상이한 상태의 고분자 나노복합체가 만들어 질 수 있다”며 “고분자 나노복합소재를 설계할 때 각 요소의 특성과 비평형 효과도 고려해야한다는 사실을 밝혔다”고 말했다.


이번 연구결과는 국제학술지 ‘피지컬리뷰레터스’ 17일자에 발표됐다.
 

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