국내 연구진이 재가공과 재활용이 가능하면서 범용 에폭시 수지에 비해 열전도가 3배 가량 높은 친환경 새 에폭시 비트리머(Vitrimers) 수지를 개발했다. 에폭시는 열경화성 플라스틱의 일종으로 강화플라스틱, 보호용 코팅 등 생활 전반에 사용된다.
비트리머((Vitrimers)는 고분자화합물 신소재를 말한다
한국연구재단은 경북대 여현욱 교수 연구팀이 고방열성의 재가공 및 재활용이 가능한 방열 에폭시 비트리머 수지를 개발했다고 24일 밝혔다.
고방열성이란 열을 가두어 온도를 유지하거나 열로부터 방어하는 성능이 높다는 뜻으로 스마트폰, 전기차 등 전장부품 시장이 커지면서 주목받고 있다.
대표적 열경화성 수지인 기존 에폭시 수지는 뛰어난 물성으로 생활 전반에 흔히 사용되고 있으나 재가공 및 재활용 모두 불가능한 특성으로 인해 자원 낭비, 환경 오염 문제가 단점으로 지적돼왔다.
새로운 유형의 열경화성 수지인 비트리머가 십여 년 전부터 개발해왔으나 친환경성과 기능성을 모두 충족시키는 소재 개발은 어려움이 많아 지지부진한 상태였다.
여현욱 교수 연구팀은 첨단 고분자 물질에 요구되는 기능성의 하나인 열전도성 강화에 목적을 두고 새로운 물질 개발부터 진행했다. 특히 포논 산란의 억제가 가능한 고결정성 물질인 액정을 활용한 연구다. 포논(ponon) 산란은 포논 입자가 다른 물질의 입자에 부딪혀 운동방향을 바꾸거나 흩어지는 현상이다.
이 과정에서 얻은 아이디어를 발전시켜 2종류의 재가공과 재활용이 가능한 동적 가교 결합을 액정 물질에 도입해 새로운 에폭시 비트리머를 개발할 수 있었다고 연구팀은 설명했다.
이렇게 개발된 물질은 범용 에폭시 수지에 비하여 3배 가량의 열전도도를 나타냄과 동시에 130도의 가열 공정만으로 특별한 물리·화학적 특성의 저하없이 쉽게 재가공할 수 있는 것을 확인할 수 있었다고 덧붙였다.
또 특정 조건에서 원료 회수와 재활용이 가능했으며 재활용 과정에서 가교 밀도가 크게 증가해 유리 전이 온도가 60도가량 향상되는 등 재활용 물질은 오히려 일부 특성이 강화되는 것을 확인했다.
여현욱 교수는 “이번에 개발된 고분자 수지는 친환경 플라스틱으로 산업계에서 요구되는 높은 열전도성이라는 특성을 동시에 가지는 물질”이라며 “공정 최적화 등을 통해 실용화되면 전자산업계에서 방열 소재로 활용할 수있다”고 설명했다.
이번 연구의 성과는 재료분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’최근호에 실렸다.
♦여현욱 교수 인터뷰
△연구 시작한 배경은
-고기능성 열경화성 수지는 재활용이 어렵다는 게 문제다. 최근 수지 디자인 단계에서 재활용이 가능한 화학구조를 도입하려했지만 기능성이 크게 저하되는 게 문제로 나타났다. 그래서 우리기술을 접목해 기능성와 친환경성을 확보할 수 있는 재료 개발에 직접 나섰다.
△이번 성과, 무엇이 다른가
-그동안 비트리머 연구는 재가공, 재활용, 자기치유 등의 성능 극대화에 치중하고 있어 기존 물질 대비 물리적·화학적 특성이 낮은 경우가 많았다. 이번 연구는 에폭시 수지의 고기능성 분자 설계에서 구조적 변화를 최소화하면서 재가공과 재활용을 위한 ‘동적가교결합’을 도입해 비트리머를 설계했다.
이를 통해 범용 에폭시 수지와 동등하거나 상회하는 기계적, 열적 특성에 더해 고열전도도라는 고기능성을 가지는 재료 개발에 성공했다. 동적 가교 결합은 다시 이전상태로 돌릴 수 있는(동적) 가교 결합(Cross-linking)을 뜻한다.
△실용화를 위한 과제는
- 개발품은 재가공, 재활용이 가능한 고기능성 수지 원물질로, 전자산업계에서 시급히 요구되는 방열 소재(기판, 열계면물질, 히트싱크 등)로 활용이 가능하며, 차량류의 열 관련 플라스틱 부품류로 활용할 수있다.
실용화를 위해서는 소재의 스케일업 합성 및 재가공·재활용 공정의 최적화를 바탕으로, 특정 제품 응용을 위한 특성의 조사와 최적화가 선행될 필요가 있다.