[로이슈 전여송 기자] 국내 연구진이 전자기기, 소방장비, 항공우주 부품, 의료용 투명 소재 등 고안전성과 경량화가 요구되는 다양한 산업현장에 적용 가능한 고성능 친환경 난연 플라스틱 소재를 개발했다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 서강대학교 박제영 교수와 인하대학교 오동엽 교수, 한국화학연구원 전현열·박슬아 연구원 공동연구팀이 고성능 플라스틱 폴리설폰(PSU)과 내열성 아라미드 나노섬유(ANF)를 결합해 난연성과 기계적 성능을 동시에 개선한 투명 나노복합소재 개발에 성공했다고 5일 밝혔다.

재단에 따르면 아라미드 나노섬유(ANF)란 고강도 고내열성의 케블라 섬유를 수십 나노미터 크기로 화학적으로 박리시킨 고분자 나노섬유를 뜻한다.

폴리설폰(PSU)은 고성능 열가소성 플라스틱으로 내열성과 투명성이 우수해 대표적인 슈퍼 엔지니어링 플라스틱으로 구분된다. 슈퍼 엔지니어링 플라스틱: 플라스틱은 기계적 특성, 내열성 등에 따라 범용플라스틱과 엔지니어링 플라스틱으로 구분되는데, 그중에서도 열과 충격에 매우 강한 플라스틱을 슈퍼 엔지니어링 플라스틱이라 한다.

하지만, 충격 저항성과 난연성이 부족해 소방장비나 전자기기 등 화염에 노출되는 고위험 환경에서는 사용이 제약되는 한계가 있다.

연구팀은 폴리설폰(PSU)이 중합되는 용매와 아라미드 나노섬유(ANF)를 분산시키는 용매가 같다는 점에 착안해, 두 소재를 하나의 공정으로 융합하는 방법을 제시했다.

특히, 마스터배치 방식을 활용해 나노섬유의 균일한 분산을 유도하고 기존 공법의 분산성 문제와 복잡한 공정 단계를 개선했다. 마스터배치(masterbatch)란 플라스틱 제품에 색상이나 특정 기능을 부여하기 위해 사용되는 고농도의 사전혼합물로 최종 생산 공정에서 손쉽게 희석·적용 가능하다.

단 0.04 중량퍼센트(wt%)의 아라미드 나노섬유를 포함한 복합소재는 실험 결과 기존 폴리설폰(PSU) 대비 인성(toughness) 수치가 2.4배 향상됐으며, 투명성 유지율도 87% 이상으로 확인됐다.

또한 난연성의 척도인 산소지수(LOI) 는 31.5를 달성했으며, 가장 높은 난연등급인 UL94 V-0을 달성해, 전기·전자 부품, 고온 환경 산업용 소재로도 직접 활용이 가능하다.

LOI(한계산소지수)란 연소에 필요한 최소 산소 농도를 의미하며, 값이 높을수록 난연성이 우수하다. UL94 V-0는 미국 UL 규격의 가장 높은 난연 등급으로, 짧은 시간 내 자가 소화되고 녹은 방울로 인한 화재 확산이 없다. 실제 화재 조건을 모사한 콘-칼로리미터 실험에서 불이 붙지 않았으며, 1300도씨의 화염에 노출해 불을 붙여도 화염을 제거하면 3초 이내에 바로 불이 꺼졌다.

박제영 교수는 “이번 연구는 기존 난연제를 쓰지 않고도 초소량의 아라미드 나노섬유만으로 투명성, 기계적 강도, 난연성을 동시에 확보해 고기능성 친환경 복합소재 개발 가능성을 제시하는 데 의의가 있다”라며, “후속연구를 통해 아라미드 나노섬유의 난연효과를 다른 플라스틱으로 확장하는 데 노력하겠다”라고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 개인연구 지원사업으로 수행된 이번 연구성과는 국제학술지 ‘고급 복합소재 및 하이브리드 소재(Advanced Composites and Hybrid Materials)’8월호에 게재되었다.

전여송 로이슈(lawissue) 기자 arrive71@lawissue.co.kr