더뉴스인 주재영 기자 | 경상국립대학교 그린에너지융합연구원 김종현 연구교수, 항공우주공학부 임형준 교수, 한국화학연구원 임충선 책임연구원, 나노신소재공학부 권동준 교수로 구성된 공동 연구팀이 탄소섬유강화복합소재(CFRP)를 접합하는 에폭시 접착제의 접착 내구성을 획기적으로 개선하는 표면 처리 기술을 개발했다.

 

공동 연구팀은, 이번 연구에서 표면 처리된 할로이사이트 나노튜브(Halloysite Nanotube, 이하 HNT)를 에폭시 접착제에 도입하되, 특히 이미다졸로 기능화(Imidazole-functionalized)된 IM-HNT를 사용하여 열적·기계적 성능을 크게 향상시키는 방안을 제안했다.

 

연구팀은 “이미다졸 표면 처리를 통해 HNT가 경화 반응을 촉진하는 효과가 있음을 확인했고, 키싱거 수식(Kissinger’s Equation)과 유전율(permittivity) 측정을 통해 반응 활성화 에너지가 50% 감소하고 경화 시간이 90% 단축되는 성과를 거뒀다.”라고 밝혔다.

 

이러한 촉매 작용 덕분에 에폭시 내 열팽창 거동이 개선돼 접합부의 열적 안정성이 높아졌으며, 인장 강도가 15%, 파괴 인성(fracture toughness)이 50% 향상되는 등 기계적 특성 역시 크게 개선됐다.

 

스테인리스(Stainless Steel)와 탄소섬유강화복합소재(CFRP)를 활용한 하이브리드 접합부를 대상으로 실시한 단일 랩 전단시험(single lap shear test)에서는 전단 강도가 약 25% 증가하여 하이브리드 구조 소재의 안정성이 눈에 띄게 높아졌고, 열충격(thermal shock)을 주기적으로 반복 부여하는 가혹 조건에서도 접착 내구성이 최대 30% 향상되는 결과를 보였다.

 

또한 유한요소해석(FEA)을 통한 잔류응력 분석으로, IM-HNT가 접합 경계면에서 발생하는 열응력을 효과적으로 완화한다는 사실이 확인되어 고내구성·고신뢰성 접합기술로의 발전 가능성이 입증됐다.

 

연구팀은 “이번 연구에서 제시한 이미다졸 기반 표면 처리 기법은 항공, 자동차, 건축 등 다양한 산업에서 요구되는 하이브리드 접합부의 내구성과 열충격 저항성을 동시에 만족할 수 있는 획기적 해법이다.”라며 “접착제의 물성 개선과 함께 제조 공정 효율을 높여 차세대 복합·하이브리드 소재 시장을 선도할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

 

이 연구결과는 우수한 성과를 인정받아 복합재료 분야의 최고 저명 저널인 《어드밴스드 컴퍼지트 앤 하이브리드 머티리얼즈(Advanced Composites and Hybrid Materials)》(IF: 23.2, JCR 상위 1%) 최신호에 ‘이미다졸 처리된 할로이사이트 나노튜브를 이용한 금속/탄소섬유강화복합소재 접착 접합부용 에폭시 접착제의 접착 내구성 향상(Improvement adhesion durability of epoxy adhesive for steel/carbon fiber-reinforced polymer adhesive joint using imidazole-treated halloysite nanotube)’라는 제목으로 게재됐다.

 

김종현 연구교수는 “경상국립대학교 그린에너지융합연구원과 한국화학연구원의 협업을 통해 각 연구팀의 우수한 기술을 융합하고, 새로운 성과를 창출할 기회를 마련해주신 남상용 교수(그린에너지융합연구원 원장)님께 깊이 감사드린다.”라고 소감을 밝혔다.