이액형 에폭시는 경화제와 수지를 혼합해 사용하는 방식으로, 혼합 비율 오류나 작업 시간 제한, 경화 불균일성 등의 문제가 자주 발생한다. 또한 혼합 후 즉시 사용해야 하며, 잔여량이 낭비되는 단점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 일액형 에폭시가 주목받고 있다. 일액형 에폭시는 사전 혼합된 상태로 제공되어 사용이 간편하고, 혼합 과정 없이 작업 시간을 단축해 품질의 일관성을 보장한다. 특히 잠재성 경화제를 활용하면 특정 조건(열, 자외선 등)에서만 경화를 시작하도록 제어할 수 있어 보관 안정성을 대폭 향상시킬 수 있다. 하지만 기존 일액형 에폭시는 상온(25℃ 이하)에서만 안정성을 유지해 고온에서 보관이 어렵고, 화재에 취약한 한계가 있었다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 김재우 박사 연구팀은 성균관대학교 구종민 교수팀과 공동 연구를 통해 이러한 한계를 극복한 ‘에폭시/맥신 일액형 솔루션’을 개발했다고 밝혔다. 이 솔루션은 에폭시 수지, 고분자 이미다졸 기반 잠재성 경화제 입자, 그리고 이차원 나노소재인 맥신으로 구성된 혁신적인 소재다. 연구팀은 물리적·화학적으로 반응성이 억제된 잠재성 경화제를 도입하여, 60°C의 높은 온도에서도 180일 이상 안정성을 유지할 수 있도록 했다. 기존 제품이 25°C에서 약 40일간 안정성을 유지했던 점을 감안하면 큰 발전이라 할 수 있다. 또한 맥신 나노소재는 기존의 난연성을 한층 강화하며, 전기전도성과 열적 안정성을 크게 향상시켰다.

난연 성능 면에서도 주목할 만한 성과를 냈다. 새로운 솔루션은 기존 대비 한계농도지수(LOI)를 12% 증가시키고, 최대열방출량(pHRR)을 85% 감소시켜 난연 등급 최고 수준인 V0 등급을 획득했다. 이를 통해 화재에 취약했던 기존 제품의 문제를 획기적으로 개선했다. 기계적 물성에서도 인장강도 46%, 충격강도 158%의 성능 향상을 달성하며, 안정성과 내구성을 모두 갖췄다. 연구팀은 이러한 성능 향상이 잠재성 경화제의 딜스-알더 반응, 맥신의 촉매 특성 덕분이라고 밝혔다.

이 혁신적인 일액형 에폭시는 접착제, 코팅제, 전자파 차폐재 등 다양한 분야에서 응용 가능성이 높다. 특히 통신, 전자 장치, 건축 소재 분야에서 차세대 고성능 복합소재로 주목받고 있다. 연구팀은 앞으로 맥신의 높은 전기전도성을 활용해 전자파 차폐 성능과 줄 히팅 특성을 갖춘 복합소재 개발에도 박차를 가할 계획이다. 이를 통해 산업계에 폭넓게 적용할 수 있는 솔루션을 제시하고 글로벌 시장에서도 경쟁력을 확보하겠다는 목표를 세웠다.

KIST 김재우 박사는 “이번 기술은 고온 안정성과 난연성을 동시에 확보한 혁신적인 일액형 에폭시로, 산업계 적용 가능성이 높다”며 “성균관대와 협력해 글로벌 경쟁력을 강화하겠다”고 밝혔다. 성균관대학교 구종민 교수는 “맥신은 소재의 독특한 이차원 나노소재 특성 덕분에 난연성과 열적 안정성을 갖춘 다양한 복합소재로 활용 가능하다”며 연구의 의미를 강조했다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임) 나노 및 소재 사업(2021M3H4A1A03047327), 국가과학기술연구회(NST) 융합연구단 사업(CRC22031-000) 및 산업기술통상부(장관 안덕근) 소재부품기술개발 사업(20010881)과 나노융합혁신개발 사업(20020855)의 지원을 받아 수행됐다. 연구 성과는 국제 학술지 「Advanced Materials」 (IF 27.4, JCR 분야 1.9%) 최신 호에 게재됐다.

* (논문명) All-In-One Epoxy/MXene Nanocomposites with Bead-Type Polymeric Imidazole Latent Curing Agent for Enhancing Storage Stability and Flame Retardancy

[그림 1] 일액형 에폭시와 잠재성 경화제의 필요성

[그림 2] 올인원 에폭시/맥신 일액형 솔루션 제조

[그림 3] 올인원 에폭시/맥신 일액형 솔루션, 세계 최고 수준의 보관 안정성 및 난연성