울산과학기술원(UNIST) 연구진이 고분자 소재에 나노입자를 더해 복합재료를 만들 때 그 특성을 결정하는 원리를 규명했다.

김소연 에너지 및 화학공학부 교수팀은 고분자와 나노입자를 혼합하는 '용액 혼합 방식'에서 용매(용액의 매체가 돼 용질을 녹이는 물질)가 재료의 최종 구조와 물성에 중요하게 작용하는 사실을 확인했다고 30일 밝혔다.

용액 혼합 방식은 고분자와 나노입자를 용매에 녹여 혼합한 뒤 용매를 증발 시켜 복합재료를 얻는 기법인데, 어떤 용매를 사용하는지에 따라 최종 물질의 특성이 달라진다는 것이다.

고분자 나노 복합체는 최근 주목받는 신소재다. 두 물질이 서로 맞댄 면, 즉 계면 특성에 따라 원하는 성질을 구현할 수 있기 때문이다.

이 때문에 기존에는 혼합하는 물질을 바꿔가며 계면 변화를 살펴보는 연구가 많았다. 그러나 복합체를 만드는 과정이 계면에 어떤 영향을 주는지에 주목한 연구는 부족했다.

김 교수팀은 계면에 영향을 주는 요소로 '용매'를 주목했다.

용매는 반응 후 제거되므로, 물질계가 반응 전후에 평형을 이루면 어떤 용매를 쓰든 같은 성질의 복합체가 만들어져야 한다.

그런데 실제로는 복합체를 만드는 복잡한 과정으로 말미암아 반응 전후에 평형을 이루지 못한다. 용매에 의한 '비평형 효과'가 나타나는 것이다.

연구팀은 똑같은 고분자와 나노입자로 복합체를 만들면서 서로 다른 용매인 물과 에탄올을 각각 이용, 각 용매가 계면 두께에 미치는 효과를 규명했다.

그 결과 에탄올을 사용했을 때 나노입자에 흡착돼 계면층을 이루는 고분자 비율이 약 2배 더 높게 나타났고, 계면층 두께도 1㎚(나노미터·1㎚는 10억 분의 1ｍ) 더 두꺼웠다.

1㎚에 불과한 계면 두께 차이는 전체 복합체 물성에 영향을 주기에 충분했다.

충분한 양의 나노입자와 짧은 사슬 길이를 갖는 고분자를 이용해 에탄올 용매에서 복합체를 만든 경우, 물에서 만든 나노 복합체보다 액체에 가까운 성질을 보였다. 계면층에 두껍게 붙은 고분자들의 상호 반발력에 의해 전체 입자들이 골고루 퍼지는 현상이 생기기 때문이다.

김 교수는 "똑같은 양의 동일 재료를 이용하더라도 초기 용매에 따라 판이한 상태의 고분자 나노 복합체가 제작될 수 있다"면서 "이번 발견은 고분자 나노 복합소재를 설계할 때 각 요소의 특성과 더불어 비평형 효과도 고려해야 함을 보여준다"고 설명했다.

이 연구 결과는 물리학 분야 학술지인 '피지컬 리뷰 레터스' (Physical Review Letters) 17일 자에 게재됐다.