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큐슈대학 카본뉴트럴 에너지국제연구소(I2CNER) 수소제조연구부문 연구팀 및 텍사스 A&M 대학 연구팀은 무기 평판상 결정집합체를 두께 0.7nm의 무기 나노시트로 박리하기 위한 간편한 방법을 확립하였다. 무기 나노시트를 혼합한 에폭시 수지 분산액을 스프레이 도포함으로써 상당히 간편하고 에너지절약형 방법으로 무기 나노시트가 등간격으로 적층된 구조를 가진 투명성이 높은 수지 필름을 제조하는데 성공하였다. 적층구조에 의해 이 수지 필름은 상당히 높은 가스 베리어(기체 차폐) 성능, 즉 기체를 잘 투과시키지 않는 성능을 가진다는 것을 실증하였다. 

연성물질(Soft matter)이 자발적으로 형성되는 나노미터 크기의 깨끗하고 미세한 구조는 눈에 보이는 연성물질의 성질을 크게 지배하는 경우가 많다. 때문에 미세구조 제어는 최근 점점 중요시되었으며, 관련 연구도 활발하게 이루어지고 있다. 이 미세구조 제어기술, 즉 나노테크놀로지를 공업적으로 응용하기 위해서는 공정의 에너지를 절약하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 물질이 자발적으로 만들어내는 질소구조를 이용하는 보톰-업(bottom-up)형 기술에 의해 간편하고 에너지를 절약할 수 있는 미세구조제어를 달성하는데 성공하였다. 

이번 연구에서 무기 평판상 결정(α인산지르코늄) 집합체를 두께 0.7nm(결정격자 1개의 두께에 해당)의 무기 나노시트로 박리하는 간편한 방법을 확립하였다. 경화 전의 에폭시 수지용액에 이 나노시트를 분산시킨 용액을 스프레이 도포한다는 아주 간단한 방법에 의해 무기 나노시트가 10nm 크기의 간격을 유지하여 규칙적으로 적층된 구조를 내부에 가지는 투명성이 높은 에폭시 수지 필름을 효율적으로 제작하는데 성공하였다. 

방사광선원(Spring-8 BL40B2)을 이용한 X선 산란법과 전자선 토모그래피(tomography) 관찰방법에 의한 구조해석 및 수지용액의 점탄성 측정에 의해 이 기술의 핵심이 고분자 계면활성제에 의한 무기결정 표면 개질로 실현한 무기 나노시트의 유기용매로의 고분산성과 이 분산액이 자발적으로 형성하는 스메틱(smectic) 액정상의 형성 및 액정상이 나타내는 도포공정에 적합한 양호한 점탄성적 성질이라고 나타났다. 

이 평판 무기 나노시트/에폭시 하이브리드 필름은 적층시킨 각 무기 나노시트가 효율적으로 기체분자의 차폐막으로서 기능하는 것으로 상당히 양호한 가스 베리어 성능을 발휘한다는 것을 실증하였다. 무기물의 첨가에 의해 포장재료의 가스 베리어 성능을 향상시키는 기술은 이미 존재하였지만, 나노테크놀로지를 구사하여 에너지를 절약하고 보다 적은 첨가제로 코팅 필름의 성능을 향상시킨 점이 본 연구의 특징이다. 

본 연구로 얻어진 미세가공 프로세스를 이용해 대폭적으로 에너지를 절약하는 방법은 지금까지 반도체 산업 등에서 필요한 고기능, 고부가가치의 재료(고가의 재료)에 한정적으로 이용된 나노테크놀로지를 보다 생활과 밀접한 양산제품(포장, 코팅재료 등)에 이용할 수 있는 길을 전개하는데 성공하였다. 

스프레이 도포 코팅이라는 간단한 공정을 통해 외관(특히 투명성)을 유지한 채 다양한 재료의 가스 베리어 성능을 향상시키는 것을 가능케 하는 본 연구성과는 앞으로 다양한 코팅재료(식품 및 의약품의 포장재, 자동차 연료탱크의 코팅, OLED 및 태양전지 등) 등으로의 응용이 기대된다. 

그림. 스프레이 코팅에 의한 가스 베리어성 투명 유기무기 하이브리드 박막의 제조과정 모식도 

KISTI 미리안 글로벌동향브리핑 2014-04-15




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