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[오토저널] 열가소성 수지기반 나노복합소재 개발동향

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2017-06-05 22:22:55

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자동차에 사용되는 소재는 오랜기간 동안 많은 변화를 거듭하면서 좀 더 가벼우면서도 좋은 기계적, 물리적, 화학적 물성을 발현할 수 있는 소재로 진화해 오고 있다. 이러한 소재적 측면에서의 발전은 금속, 고분자나 세라믹의 신규재료의 개발이나 구조개선과 같은 전통적인 측면에서의 접근은 물론이고, 근래 몇 십년 동안은 이들을 조합한 다양한 복합재료의 개발도 큰 기여를 해 왔다. 특히 복합재료에 사용되는 다양한 제2 또는 제3상의 재료로 다양한 나노소재가 각광을 받고 있다. 일반적으로 나노소재는 어느 한 방향으로의 크기가 100nm 이하의 크기를 갖는 소재를 의미하며, 이러한 소재는 섬유(Fiber), 판상(Plate-like), 입자(Filler)와 같은 다양한 형태를 갖고 있다.

 

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이러한 나노소재를 기존에 사용되는 금속, 세라믹, 고분자 소재를 모재로 충전, 분산시켜 만든 신규 복합소재를 나노복합소재(Nanocomposite)라고 한다. 그 중에서도 가공이 쉽고, 경량화 측면에서 강점이 있는 고분자 소재를 모재로 한 고분자 나노복합소재가 활발하게 연구되어 오고 있다. 나노복합소재는 나노 보강재/충전재의 표면적이 마이크로 단위의 보강재에 비해 월등히 높고, 동일한 보강재/충전재 함량에서 각 나노소재 간의 거리가 짧아, 모재의 물성을 훨씬 더 효율적으로 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

 

고분자 나노복합소재의 가공을 위한 보강재 또는 충전재로는 유기나노소재의 한 종류인 Montmorillonite(MMT) 기반 나노클레이(Nanoclay), 무기 나노소재인 나노실리카(Nanosilica), 그리고 탄소를 기반으로 한 탄소나노튜브(Carbon nanotubes), 탄소나노섬유(Carbon nanofibers), 그래핀(Graphene) 등 다양한 유무기 소재가 연구, 검토되어 오고 있다.

 

다양한 형태의 유무기 나노소재들은 모재인 고분자의 기능화에 초점을 맞추어 그 활용도 점차 넓혀오고 있다. 이러한 연구를 통하여 개발된 다양한 형태의 나노복합소재 시장은 최근 그 규모가 폭발적으로 증가하고 있으며, 2018년에는 미화 약 60억불 이상의 시장으로 성장할 것으로 기대되고 있다.

 

나노복합소재에 사용되는 나노소재는 개별적인 기계적 물성이 매우 우수하므로 초기에는 이러한 나노소재의 우수한 기계적 물성을 활용하여 비강도(Specific strength) 및 비강성(Specific modulus)이 높은 나노복합소재를 만드는 연구가 많이 이루어져 왔다. 또한, 그 외에도 나노소재의 다양한 물성을 이용하여 전기적, 열적, 물리적 물성이 향상된 고분자 나노복합소재의 개발도 많이 연구되고 있다. 하지만, 나노소재의 분산 및 나노소재-고분자간 인터페이스의 문제로 인해 기계, 전기, 열 물성을 목표한 수준으로 향상시키는데 많은 기술적인 어려움도 동시에 대두되고 있다.

 

자동차 업계에서도 이러한 나노복합소재를 활용한 부품의 개발에 많은 노력을 해 오고 있다. 특히 자동차 업계의 경우 우수한 물성은 물론 생산성 및 가격적인 측면에서 좀 더 균형적인 접근이 이루어지고 있는데, 이에 따라 나노클레이의 활용도가 크게 증가하고 있는 상황이다. 하지만 이와 더불어 학술적으로 연구가 활발한 탄소기반 나노소재에 대한 연구 및 자동차 산업에의 적용도 활발히 진행되고 있다. 물론 또한 고분자 복합소재의 모재로는 가공효율이 좋은 나일론이나 폴리프로필렌과 같은 범용 열가소성 수지를 사용하는 경향이 주를 이루고 있다.

 

이러한 열가소성 수지기반 고분자 나노복합소재의 경우에는 1990년대 Toyota에서 나일론 6와 나노클레이를 활용하여 고분자 나노복합소재를 개발하고 이를 엔진커버에 사용되던 금속소재를 대체함으로써 약 20% 정도의 경량화를 달성하여 최초의 상용화에 성공하였다. 그 이후 유럽과 미국에서 다양한 자동차용 부품에 대한 고분자 나노복합소재의 연구, 개발이 이루어지고 있다. 미국 내에서 상용의 자동차 내외장재에 고분자 나노복합소재를 적용하려는 시도는 2002년 GM에서 허머 H2 차량의 카고 베드, GMC Safari와 Chevrolet Asatro 밴의 step assist에 적용하면서 활성화되었다. 그 이후 2004년 Chevrolet Impala의 사이드 몰딩에도 적용이 되면서 그 적용범위가 크게 확대되었다.

 

고분자 나노복합소재가 자동차의 내외장재에 적용이 우선적으로 가능하게 된 이유는 상대적으로 적은 함량의 나노소재를 적용하여도 기존의 매크로소재 기반 복합소재에 비해 높은 기계적, 전기적, 열적 물성을 발현할 수 있기 때문이다. 통상적으로 5wt% 미만의 나노소재를 적용하여도 일반적인 매크로 규모의 필러함량 10~50wt% 수준의 물성을 발현할 수 있다. 이에 따라 고함량의 제2상 투입으로 인한 고분자 복합재의 문제점을 최소화 할 수 있다. 하지만 고분자 나노복합소재 역시 여러 가지 기술적 한계를 가지는데, 고분자 모재에 나노소재의 분산특성 확보 및 소재간 상용성 문제, 적용 가능한 고분자 수지의 한계, 나노소재의 안정성, 고가의 비용 등이 있다. 따라서 최근의 고분자 나노복합소재의 개발 및 적용은 이러한 다양한 문제를 해결하기 위한 연구에 초점을 맞추어 진행하고 있다.

 

2000년 전후의 자동차 부품용 고분자 나노복합소재는 많은 경우 나노클레이를 기반으로 하여 개발되었으며, 이를 다양한 구조부품으로 적용하여 왔다. Toray는 열가소성 수지 중 Polyamide(PA)를 모재로 사용한 고분자 복합 재료에 대한 기술을 발표하였다. RTP Company는 새로운 형태의 나노클레이 컴파운드를 개발하여 자동차 연료시스템에 적용하였고, 이를 통하여 연료시스템의 Barrier 특성을 크게 향상시켰다.

 

또한, 미국 Geogia Tech Research Corporation(GTRC)에서는 상용고분자 중 하나인 아크릴로나이트릴(Acrylonitrile)을 기반으로 한 고분자 나노복합재료를, 타이어의 경우에도 New Tire Tech와 같은 관련 산업체에서 고무를 모재로 하여 나노파이버나 나노클레이를 활용한 고분자 나노복합재료 등을 개발하는 등 그 기술의 적용범위가 점차 확대되어 왔다.

 

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나노클레이와 더불어 그 활용도가 빠른속도로 증가하고 있는 나노소재는 탄소나노튜브(Carbon nanotube ; CNT)로, 낮은 비중으로 높은 열적/전기적 특성이 구현가능하다. 더불어 열팽창계수가 매우 낮아 자동차 구조체에 활용이 가능한 나노복합소재로 적용이 가능할 것으로 기대되고 있다. 최근 들어 적용분야의 증가와 더불어 탄소나노튜브의 가격도 점차 하락하고 있어 상용화 측면에서도 좋은 전망을 기대할 수 있다. Evonik의 Vestamid 제품중 일부는 나일론 계열인 PA12와 CNT 기반의 나노복합소재로 높은 내열 특성 및 열전도 특성을 갖고 있어, 자동차 엔진 커버 등으로 적용된 사례가 있다. 또한 Sabic의 Noryl GTX는 PA와 PPE소재에 CNT를 분산하여 얻은 고분자 나노복합소재로 우수한 전기 전도성을 갖고 있어 자동차 펜더(Fender)에 적용되어 정전도장 및 경량화를 구현하였다. CNT의 경우에는 구조적인 강성 및 강도의 향상에도 도움이 되지만 특히 전기전도성 및 열전도성의 향상에 큰 효과가 있다.

 

미국의 Hyperion Catalysis는 플라스틱/나노튜브 복합소재를 생산하여 자동차 산업과 전자제품 분야에 응용, 제품에 상업화를 하고 있다. 이 회사는 10~15나노미터 크기의 CNT를 Polycarbonate(PC), Nylon, Polybutylene terephthalate(PBT) 등의 고분자 수지에 첨가하여 고분자 나노복합소재를 개발하고 정전기 차폐용 소재로 생산하고 있다.

 

CNT의 뒤를 이어 최근 각광받고 있는 또 다른 탄소기반 나노소재는 그래핀이다. 그래핀은 판상구조 형태를 갖고 있어 튜브형태의 CNT에 비하여 많은 장점을 갖고, 나노복합소재를 만들었을 때 상대적으로 적은 질량비로도 우수한 기계적, 전기적, 물리적 특성을 발현할 수 있다. 하지만 아직까지 상용화를 위한 대량생산 기법이 개발되지 않은 상태여서, 연구실 수준에서의 그래핀 기반 나노복합소재의 기술개발이 실제 자동차용 양산제품을 위한 상용화 단계로 이동을 위해서는 좀 더 시간이 더 필요할 것으로 예상된다.

 

최근 EU에 기반을 둔 The Graphene Flagship이나 미국 Continental Structural Plastics(CSP) 등 많은 기능성 고분자 소재관련 산업체, 대학교 및 연구소가 손잡고 다양한 그래핀 기반 고분자 나노복합소재의 개발을 시도해 오고 있다. 아직 기술적으로도 개선의 여지가 많이 있고, 상용화를 위한 그래핀의 대량생산 방법 등의 해결이 필요하다. 하지만, 앞으로 큰 발전이 기대되는 나노소재로 국내에서도 그래핀 관련 연구가 활발히 진행되고 있어, 추후 자동차용 구조소재에 사용될 중요한 나노소재로 그래핀이 활용될 수 있을 것으로 기대할 수 있다.

 

글 / 최병호 (고려대학교)
출처 / 오토저널 17년 1월호 (http://www.ksae.org) 
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