국내 연구진이 플라스틱 복합재가 1000℃ 화염과 항공엔진급 고온 환경에서도 구조적 안정성을 유지할 수 있음을 실험적으로 입증했다. 고분자 사슬을 3차원 '나노 감옥'에 가두는 구조 설계를 통해서다.
가볍지만 열에 취약하다는 이유로 고온 구조 부품에서 배제돼 온 고분자 복합재가 항공엔진·가스터빈 등 극한 환경 소재 시장에서 금속을 대체할 수 있는 가능성을 제시했다.

한국연구재단은 오영석 한국재료연구원 박사 연구팀이 3차원 탄소나노튜브(CNT) 기반 '나노케이지(Nanocage)' 구조를 설계·제작하고, 이를 고분자 복합재 내부에 구현해 고온에서도 바다이야기게임장 분자 운동을 효과적으로 억제하는 데 성공했다고 밝혔다. 연구팀은 고분자 사슬의 열적 거동을 화학 조성 변경이 아닌, 나노미터 스케일의 물리적 구속 구조로 제어하는 새로운 접근법을 제시했다.




고분자 복합재의 열적 한계와 탄소나노튜브 나노케이지 기반 물리적 릴게임5만 구속 개념. 고분자는 유리전이온도(Tg) 이상에서 사슬의 자유로운 열적 운동으로 구조 변형이 발생한다(왼쪽). 본 연구는 3차원 탄소나노튜브 나노케이지 구조로 고분자 사슬을 물리적으로 구속해 고온에서도 열적 안정성을 확보했다(오른쪽). 하단은 초경량 탄소나노튜브 에어로젤 기반 나노케이지 시편. 연구팀 제공


릴짱 고온 앞에서 무너진 복합재의 한계
고분자 복합재는 가볍고 가공성이 뛰어나 항공우주·에너지 분야의 차세대 구조 소재로 주목받아 왔지만, 유리전이온도(Tg)를 넘는 순간 분자 사슬의 운동성이 급격히 증가해 기계적 성능과 치수 안정성을 잃는다는 한계를 안고 있었다.
이 때문에 항공엔진이나 가스터빈처럼 고온과 하중이 동 바다이야기릴게임2 시에 작용하는 부위에서는 여전히 티타늄 합금 등 금속 소재가 주류를 이뤄왔다.
이 같은 한계를 극복하기 위해 고내열 고분자 개발, 가교 밀도 증가, 그래핀·실리카·탄소나노튜브 등 나노필러 도입이 이어졌지만, 유리전이온도를 일정 수준 이상 끌어올리거나 Tg 이상 영역에서 고분자 사슬의 자유로운 운동을 근본적으로 억제하는 데에는 한계가 있었다 야마토게임 .
특히 필러의 불균일 분산으로 인해 나노구속 효과가 실제 구조 안정성으로 이어지지 못하는 문제가 반복적으로 지적돼 왔다.
'나노 감옥'에 가둔 사슬, 고온에서도 움직이지 않았다
연구팀은 문제의 핵심을 'Tg 이상에서 자유롭게 움직이는 고분자 사슬'로 보고, 이를 구조 설계로 차단하는 전략을 선택했다. 단일벽 탄소나노튜브를 개별 분산한 뒤 3차원 그물망 형태로 얽어 만든 나노케이지 내부에 고분자 수지를 침투시키는 방식이다.
나노케이지의 기공 크기를 고분자 사슬의 협동 재배열 영역보다 작게 제어하자, 사슬의 열적 운동이 극도로 억제된다는 사실이 실험적으로 확인됐다.
그 결과 나노케이지 기반 고분자 복합재의 유리전이온도는 기존 에폭시 수지 대비 약 119% 향상된 최대 350℃까지 상승했다. 이는 고분자 자체의 열분해 온도에 근접한 수준이다. 이 복합재는 300℃ 이상의 고온에서도 탄성률을 안정적으로 유지했으며, 열팽창계수는 약 10ppm/℃ 수준으로 낮아져 우수한 치수 안정성을 보였다.
고온 크리프 시험에서도 200~300℃ 환경에서 변형률이 1% 이하로 유지됐고, 약 1000℃ 화염 노출 시험에서는 열방출률이 약 98% 감소하는 등 내화·난연 성능도 동시에 확보했다.
연구팀은 이 나노케이지 기반 복합재를 탄소섬유 직물과 결합해 마이크로·나노 다중 스케일 하이브리드 복합재로 확장했다. 그 결과 370℃ 환경에서도 초기 탄성률의 90% 이상을 유지해, 동일 조건에서 성능 저하가 나타나는 상용 티타늄 합금 대비 우수한 고온 구조 안정성을 나타냈다. 고온 구조 부품에서 '경량화와 내열성은 양립하기 어렵다'는 기존 통념을 뒤집는 결과다.
이번 연구는 고분자 복합재의 사용 온도를 획기적으로 확장해 차세대 항공엔진과 가스터빈 부품으로의 적용 가능성을 제시한다.
특히 금속 대비 현저히 가벼운 특성 덕분에 엔진 경량화를 통한 연료 효율 및 성능 개선이 기대된다. 초음속 비행체 구조물이나 고온 열충격에 노출되는 항공우주 구조물은 물론, 전기차 배터리팩 등 화재 확산을 지연시키는 안전 소재로도 활용 가능성이 크다.
오영석 박사는 "폴리이미드 등 고내열 수지와 복합화해 유리전이온도를 500℃ 수준까지 높이고, 탄소섬유와 결합한 실제 부품 환경에서의 장기 신뢰성과 공정 안정성을 검증할 계획"이라며 "대형 부품 제조를 위한 공정 확장성과 경제성을 확보해 실용화 단계로 나아가겠다"고 전했다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단의 나노소재기술개발사업 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 복합재 분야 국제학술지 '첨단 복합소재 및 하이브리드 소재(Advanced Composites and Hybrid Materials)'에 지난달 10일 온라인으로 게재됐다.
김종화 기자 justin@asiae.co.kr