이와 동시에 그래핀 표면을 기능화하여 엔지니어링 플라스틱의 하나인 고성능 고분자 폴리이미드와 결합시켜 그래핀과 폴리아미드가 화학반응을 일으키고 이를 통해 폴리이미드 위에 그래핀이 균일하게 분산된 고분자 복합재료를 만들 수 있었다.

o 연구팀은 기능화된 그래핀 입자가 폴리이미드를 구성하고 있는 무수물(dianhydride)과 직접 화학 반응을 할 수 있도록 아미노페닐기(amino phenyl group)가 도입된 그래핀 입자를 용매에 골고루 녹였다. 기능화된 그래핀은 폴리이미드 중합반응을 일으켜 고분자와 그래핀 사이의 공유결합을 유도하여 폴리이미드 수지내에 그래핀이 균일하게 분산 된 고분자 복합소재 제조에 성공했다.

이렇게 개발한 소재는 기존의 폴리이미드 고분자 복합소재가 산소 및 수증기 등의 가스를 효과적으로 차단하지 못해 활용이 어려웠던 데 비해 240배 이상의 가스를 차단하는 성과를 보였을 뿐만 아니라 기계적 강도 또한 2배이상 강화되었다.

o 물질을 감싸는 특성을 가지는 복합수지는 보통 산소나 수분을 차단하여 제품의 수명이나 성능을 보호하는 소재로 사용영역은 의약품, 전자제품, 디스플레이 제품 등 다양하다. 또한 첨단 디바이스 재료인 태양전지의 봉지필름, 백시트, 건축용 고진공 단열재, 산업용 포장재 등 광범위하게 활용된다. 그러나 고분자 소재의 경우 산소 및 수분 차폐 특성이 요구수준에 만족하지 못하기 때문에 이를 극복하기 위해 다양한 연구가 시도되고 있다.

KIST 유남호 박사는 “고성능, 기계적 플라스틱에 적합한 그래핀의 개발을 통하여 기존 고분자 소재의 낮은 산소 차단성과 기계적 강도를 동시에 향상시킴으로써 디스플레이 소재나 우주항공 및 복합소재 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 보인다”고 연구의의를 밝혔다.

이번 연구는 KIST 기관고유 사업에서 지원되었으며, 연구 결과는 미국 화학회에서 발간하는 재료분야의 권위지인 Chemistry of Materials 3월 24일자 게재되었다. 

* (논문명) “Grafting of Polyimide onto Chemically-Functionalized Graphene Nanosheets for Mechanically-Strong Barrier Membranes”

- (제1저자) 한국과학기술연구원 임준 연구원, 여현욱 연구원
- (교신저자) 한국과학기술연구원 유남호 박사

<그림 1> 산화 그래핀의 기능화와 환원반응을 통한 신규 그래핀의 제조공정(a), 기능화된 그래핀을 이용한 폴리이미드와의 중합 및 복합화 제조공정의 모식도(b).

<그림 2> 그래핀/고분자 복합소재에서, (a) 기능화된 그래핀 함량에 따른 고분자 복합소재의 기계적 강도(red) 및 탄성(blue). 그래핀이 충전되지 않은 고분자 수지(Pure)에 비해 3 wt% 그래핀이 함유된 복합재의 경우 강도가 2배이상, 탄성이 1.5배 향상되었다. (b) 그래핀의 함량에 따른 복합소재의 산소 투과도. 그래핀이 충전되지 않은 고분자 수지(black)에 비해 5wt% 그래핀이 함유된 복합재(violet)의 경우 산소 차단성이 240배 이상 향상되었다.