한국화학연구원은 울산 바이오화학연구센터 박제영·오동엽·황성연 박사팀이 첨단 소재의 보강재로 쓰이는 아라미드 나노섬유를 대량생산할 수 있는 기술을 개발하고 이를 엘라스토머 소재에 적용해 탁월한 보강 성능을 확인했다고 12일 밝혔다.
아라미드 섬유는 듀폰사에서 ‘케블라’라는 이름으로 제조하고 있는 방탄 섬유이며 강도, 탄성, 진동흡수력이 뛰어나 타이어, 방탄복, 진동흡수장치 등에 많이 쓰이고 있다.
이 섬유를 나노화한 ‘아라미드 나노섬유’는 탁월한 보강 성능을 가진 것으로 2011년 학계에 처음 보고돼 전 세계적으로 연구가 많이 이루어지고 있다.
기존에 아라미드 나노섬유를 만들기 위해서는 아라미드 방탄 섬유를 먼저 만든 후 이것을 나노화하는 두 가지 단계를 거쳤다.
아라미드 방탄 섬유를 만들기 위해서는 아라미드 구조를 가진 고분자를 합성한 후 황산에 녹이고 이를 다시 노즐에 통과시켜 물에 또 침전시킨 후 섬유를 뽑아내는 과정을 거쳐야 한다. 이를 다시 나노 단위로 깎아 아라미드 나노섬유를 만드는 데 180시간이 걸린다.
연구팀은 기존 두 단계 중 한 단계를 생략하고 보조 용매를 도입하는 방법으로 제조 공정 시간을 기존 대비 12배나 단축하는 신기술을 개발했다.
연구팀은 아라미드 분자 구조가 한 방향으로 정렬되어 있다는 점에 주목해 아라미드 물질로부터 아라미드 나노섬유를 바로 만들었다. 아라미드 단량체로부터 고분자를 대량 중합하고 별도의 정제과정 없이 보조 용매와 염기 물질을 추가하는 단순한 제조법이다.
기존 기술로는 아라미드 나노섬유를 일주일 동안 밀리그램 수준으로 만들었는데 이번 기술을 적용하면 반나절만에 대량생산할 수 있기 때문에 상용화하기 쉽다.
또한 아라미드 방탄섬유로부터 나노화하는 기술이 아니기 때문에 듀폰사 등의 특정기업에서 대부분 가지고 있는 아라미드 섬유 제조 기술 특허권에서 자유롭다.
연구팀은 개발한 나노섬유를 탄성이 있는 첨단소재 ‘엘라스토머’의 보강재로 세계에서 처음 적용해 미량 함량으로도 세계최고의 기계적 강도를 내는 것을 확인했다.
열가소성 폴리우레탄 소재에 400ppm만 첨가해도 인장인성이 1.5배 증가했고 인장강도가 84 MPa 수준으로 세계 최고 기계적 강도를 경신했다.
화학연 오동엽 박사는 “아라미드 나노섬유의 방향족 그룹과 열가소성 폴리우레탄 소재의 방향족 그룹이 물리적 결합을 형성하면서 놀라운 보강효과가 나타났다”고 말했다.
연구책임자 박제영 박사는 “그동안 구조 보강재로서의 가능성은 있었으나 단점으로 지적됐던 아라미드 나노섬유의 오랜 제조시간을 반나절로 획기적으로 단축해 대량 생산 및 상업화의 교두보를 마련했다”며 “나노복합체로서 이번 연구가 보여준 경이로운 보강 효과뿐만 아니라 다양한 첨단 산업소재 분야로의 확장이 기대된다” 고 말했다.
/대전=박희윤기자 hypark@sedaily.com
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